Author: Возницкий И.В. Камкин С.В. Большаков В.Ф.
Tags: тепловые двигатели (кроме паровых машин и паровых турбин) судовые установки дизельные установки
ISBN: 5-277-01932-4
Year: 1996
Text
ЭКСПЛУАТАЦИЯ
СУДОВЫХ
ДИЗЕЛЬНЫХ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
УСТАНОВОК
Утверждено
Департаментом
морского транспорта
Министерства транспорта
Российской Федерации
в качестве учебника
для специальности 24.05
"Эксплуатация судовых
энергетических установок"
морских академий
МОСКВА «ТРАНСПОРТ» 1996
УДК 621.431.74.004(075.8)
Эксплуатация судовых дизельных энергетических установок: Учеб, для вузов /
С.В.Камкин,И.В.Возницкий,В.Ф.Большаков и др. — М.:Транспорт, 1996.432 с.
Рассматриваются задачи технического использования судовых дизелей, про-
пульсивного комплекса, оборудования и обслуживающих систем на основе
изучения их характеристик и режимов работы, вопросы систематизированного
контроля и регулирования параметров с целью обеспечения высоких технико-
эксплуатационных показателей и надежной работы. Обращается внимание на во-
просы топливо- и маслоиспользования, экологические проблемы эксплуатации
дизельных установок.
Для курсантов высших морских учебных заведений, может быть рекомендо-
ван судовым механикам и специалистам технических служб пароходств.
Ил. 139, табл. 30, библиогр. 20 назв.
Книгу написали: С. В. Камкин — введение, главы 1—4, кроме пп.3.9 и 4.6; И. В.
Возницкий — пп.4.6, 6.1—6.3, 6.6, 7.2, 7.5, 7.6, 7.8, 7.9, главы 8—11; А. Л. Лемещенко
— гл. 5; В. Ф. Большаков и А. В. Большаков совместно — пп. 6.4, 6.5, 7.7, гл.
12, кроме п. 12.5; И. В. Возницкий, В. Ф. Большаков и А. В. Большаков со-
вместно — пп. 7.1, 7.3, 7.4; А. Ю. Смольник — п. 3.9; А. С. Пунда — п. 12.5.
Финансовую помощь в издании книги оказали: Российский морской Регистр
судоходства; АОЗТ "Мерктранс", фирмы "Катерпиллар" и "Веритас Петролеум
Сервис", АОЗТ "Эрсет".
Авторы благодарны фирме "Катерпиллар" также за любезно предоставленные
материалы по двигателям фирмы.
Рецензенты Л. В. Тузов, В. В. Филиппов
Заведующий редакцией Л. В. Васильева
Редактор И. В. Ридная
3205030000-072
э 049(01)-96 64“96
© Коллектив авторов, 1996
ISBN 5-277-01932-4
© Издательство "Транспорт",
иллюстрации, оформление, 1996
УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
АЗ — аварийная защита
АПС — аварийно-предупредительная сигнализация
В Г — валогенератор
ВД — вспомогательный дизель
ВК — вспомогательный котел
В МТ — верхняя мертвая точка
ВОД — высокооборотный дизель
ВРШ — винт регулируемого шага
ВТГ — вал ©турбогенератор
ВТЭ — водотопливная эмульсия
ВФШ — винт фиксированного шага
ГВЛ — главная ватерлиния
ГД — главный дизель
ГДМ — гидродинамическая муфта
ГРЩ — главный распределительный щит
ГСМ — горючесмазочные материалы
ГТЗА — главный турбозубчатый агрегат
ГТК — газотурбокомпрессор
ГТН — газотурбонагнетатель
ГТУ — газотурбинная установка
ГЭУ — главная энергетическая установка
ДАУ — дистанционное автоматизированное управление
ДВС — двигатель внутреннего сгорания
ДГ — дизель-генератор
ДИ — дизельный индекс
ДЭУ — дизельная энергетическая установка
ЖСМ — жесткая муфта сцепления
ЗХ ~ задний ход
ИВ — индекс вероятности
ИМО — Международная Морская организация
КПД — коэффициент полезного действия
КШМ — кривошипно-шатунный механизм
МДМ — максимально длительная мощность
МО — машинное отделение
МОД — малооборотный дизель
НМТ — нижняя мертвая точка
НРБ — нерастворимый в бензине
ОКЧ — общее кислотное число
ОЩЧ — общее щелочное число
ПАВ — поверхностно-активные вещества
ПТУ — паротурбинная установка
3
ПТЭ — правила технической эксплуатации
ПХ — передний ход
СВЛ — судовое высоковязкое легкое (топливо)
СВ С — судовое высоковязкое сверхтяжелое (топливо)
СВТ — судовое высоковязкое тяжелое (топливо)
СДУ — судовая дизельная установка
С МТ — судовое мало вязкое топливо
СОД — среднеоборотный дизель
СЦК — система централизованного контроля
СЭС — судовая электростанция
СЭУ — судовая энергетическая установка
ТА — топливная аппаратура
ТЗА — турбозубчатый агрегат
ТЗХ — турбина заднего хода
ТИ — техническое использование
ТК — турбокомпрессор
ТКС — турбокомпаундная система
ТЛГ — телеграф
ТНВД — топливный насос высокого давления
ТО — техническое обслуживание
ТР — топливная рукоятка
УК — утилизационный котел
УГГ — утилизационный турбогенератор
ФГО — фильтр грубой очистки
ФТО — фильтр тонкой очистки
ЦПГ — цилиндре-поршневая группа
ЦПУ — центральный пост управления
ЦТ — цетановое число
ЭВМ — электронно-вычислительная машина
ЭКАП — электронный контрольный анализатор-программатор
"На ходу судна старший механик, по
согласованию с капитаном, устанавли-
вает оптимальный морской режим ра-
боты главного двигателя"
Из Устава службы на судах А/О
Балтийское морское пароходство
ВВЕДЕНИЕ
Современное морское судно — теплоход, оборудованный ди-
зельными энергетическими установками, представляет собой
сложное техническое транспортное средство, предназначенное
для работы в условиях автономного плавания, в том числе при
экстремальных гидрометеорологических состояниях внешней
среды. Построечные характеристики судна отвечают определен-
ным требованиям надежности, экономичности, безопасности и
в процессе эксплуатации обеспечиваются целенаправленными
действиями судовых экипажей и береговых служб пароходств,
осуществляющих техническое использование, техническое обслу-
живание и ремонт. Единство этих трех частей составляет предмет
технической эксплуатации. Однако технология работ, объемы и
цели решаемых задач различны. Если ремонтные работы направ-
лены на восстановление характеристик судов, то техническое ис-
пользование и техническое обслуживание проводятся непосред-
ственно в эксплуатационный период и прежде всего имеют це-
лью выполнение транспортной задачи — перевозки и сохранно-
сти грузов и пассажиров при эффективном использовании СЭУ
и обеспечении безопасности мореплавания.
В объемы деятельности по ТИ и ТО входят работы разного
уровня и назначения: от управления, контроля и обслуживания
главных и вспомогательных механизмов и систем в процессе не-
сения ходовых и стояночных вахт до выбора рациональных ре-
жимов нагружения, ресурсоиспользования, взаимодействия эле-
ментов пропульсивного комплекса, средств утилизации, обслу-
живающих систем. Очевидно, от качества и правильности вы-
полнения этих работ зависят не только экономичность, сохране-
ние ресурса и безаварийность эксплуатации оборудования, но и
затраты на ремонт и в целом на эксплуатацию судов.
Эксплуатация СЭУ существенно отличается от эксплуатации
ее главных и вспомогательных элементов: она формируется на их
базе, но основу ее содержания составляют вопросы взаимодейст-
вия элементов комплексов СЭУ и изучение практического опы-
та, обобщенного в Правилах технической эксплуатации судовых
технических средств.
5
Собственно инженерные знания эксплуатации СЭУ сводятся
к пониманию системных связей и способов воздействия на них
при эксплуатации: пропульсивного комплекса на основе взаимо-
действия главных дизелей, гребного винта, корпуса, главной пе-
редачи на ходовых и маневренных режимах; систем тепло- и
электроснабжения, утилизации отходов привода вспомогатель-
ных механизмов; обслуживающих систем, обеспечивающих
функционирование главных и вспомогательных дизелей; систем
очистки, удаления отходов и обеспечения экологически чистого
выпуска газов. Сюда же входит организация вахтенного обслужи-
вания и управления СЭУ на основе использования систем цен-
трализованного контроля, аварийно-предупредительной сигнали-
зации, средств автоматизации и дистанционного управления.
Очевидно, изложенные принципы изучения эксплуатации
СЭУ подразумевают активное действие инженера-механика на
судне, т. е. приобретенные знания закрепляются и развиваются в
последующей практической работе вплоть до решения задач по-
вышения эффективности эксплуатации СЭУ и действия в рамках
занимаемой должности, Правил технической эксплуатации и Ус-
тава службы на судах. Работа с элементами творчества стимули-
рует знание материальной части и понимание практических ме-
тодов управления и обслуживания механизмов. Иначе говоря,
инженерная подготовка специалиста по эксплуатации СЭУ
должна быть согласована с содержанием практической работы на
судне. Существует много примеров эксплуатации судов и энерге-
тических установок, где эти принципы успешно реализуются в
повседневной практической работе и особенно эффективно в
аварийных ситуациях.
Обсуждаются и другие точки зрения в отношении методов
эксплуатации судов. А именно, с развитием систем автоматизи-
рованного управления и контроля, повышением надежности ме-
ханизмов и систем практическая эксплуатация СЭУ на судах бу-
дущего может быть сведена к операторской работе в объеме зна-
ний техника-оператора. В этом случае решение сложных задач,
возникающих в процессе эксплуатации, возлагается на береговые
управленческие структуры. Современная глобальная связь позво-
ляет вести оперативное слежение за параметрами СЭУ, быстрый
обмен информацией и выдачу рекомендаций по устранению не-
исправностей.
В известной степени жесткая регламентация и контроль за
техническим использованием и обслуживанием СЭУ со стороны
береговых баз уже существует и применяется для современных
судов линейного плавания.
На отечественных судах контроль и учет выполнения показа-
телей работы судов и энергетических установок осуществляется
6
путем нормирования скорости, мощности, расхода топлива и
смазочных материалов. Нормы разрабатываются и контроли-
руются отделами топливоэнергетических ресурсов пароходств с
учетом технических и режимных факторов экономии энергоре-
сурсов, оперативно корректируются, поставляются на суда в виде
карты норм и учитываются при разработке рейсовых заданий. В
условиях рыночных отношений отмечается сближение требова-
ний к техническим и экономическим нормативам работы судов с
позиций ресурсосбережения и снижения общих затрат на экс-
плуатацию. Это сближение отражается на назначении режимов
работы и сроках докования. Оптимизация скорости судна по ми-
нимуму эксплуатационных затрат во время хода при 10%-ном
снижении скорости может обеспечить снижение расхода топлива
на 13—15% и уменьшение себестоимости перевозок на,-5—6%.
При этом существенно увеличиваются сроки между моточистка-
ми главных дизелей, повышается их надежность, снижаются за-
траты на обслуживание, ремонт и запасные части.
В связи с этим следует отметить и большое значение контроля
за качеством топлива и масла перед бункеровкой, в процессе
бункеровки и непосредственно при их подготовке и использова-
нии в двигателях. Совместимость топлива и масла, соответствие
их характеристик рекомендованным значениям — необходимые
условия правильной эксплуатации.
К специфическим задачам эксплуатации СЭУ относится пре-
дотвращение образования и нейтрализация экологически опас-
ных веществ, образующихся при хранении и использовании топ-
лив и масел, обводненных нефтепродуктов. В связи с возрас-
тающими темпами загрязнения моря нефтью и атмосферы вред-
ными выбросами проблема экологии становится актуальной и
для СЭУ морских судов. Принимаются жесткие меры по контро-
лю за состоянием окружающей среды, и невыполнение в экс-
плуатации требований законодательств вызывает штрафные
санкции. Понимание этой проблемы важно не только с точки
зрения технического использования средств очистки и обезвре-
живания выбросов, но имеет и моральный аспект сохранения
среды обитания человечества.
Глава 1
ТЕХНИКО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К СУДОВЫМ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ УСТАНОВКАМ
1.1. РАЗВИТИЕ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
История развития СЭУ. Применение паровых двигателей на
морских судах в 20-е годы прошлого столетия положило начало
эры движения судов с помощью механических установок. На
первых пароходах движителем служили гребные колеса, уступив-
шие затем место гребному винту. Паровая машина и котел, рабо-
тающий на каменном угле, отражали состояние энергетики того
времени.
Установки отличались простотой управления и обслуживания,
а паровая машина вследствие хороших тяговых и маневренных
качеств оказалась исключительно приспособленной к работе на
морских судах в качестве главного двигателя. Несмотря на низ-
кий КПД (10—15%) установки с паровыми машинами в раз-
личных модификациях более 100 лет являлись основным типом
СЭУ. Но требования повышения экономичности и мощности
СЭУ, автономности плавания морских судов заставили обратить-
ся к термодинамически более совершенным тепловым двигате-
лям. С развитием техники и энергетики на смену пароходам с
паровой машиной пришли теплоходы с дизельными двигателя-
ми, пароходы с паротурбинными установками, газоходы с газо-
турбинными двигателями, работающие на нефтяном топливе.
Уже более 30 лет в арктических районах России успешно экс-
плуатируются ледоколы и специальные суда с ядерными энерге-
тическими установками.
Однако масштабы и динамика применения СЭУ различных
типов в 60—70-х годах претерпели большие йзменения. Наглядно
это прослеживается на графиках (рис. 1.1), где показано, как
происходило обновление флота по времени. В определенной сте-
пени эти данные отражают технико-эксплуатационные характе-
ристики и возможности СЭУ удовлетворять новым типам судов в
отношении экономичности, надежности, безопасности обслужи-
вания и мореплавания. Уместно отметить и отражение связей
постройки судов с состоянием мировой экономики, а на отдель-
ных этапах и влияние кризисных ситуаций в экономике и политике.
8
Так, к началу 60-х годов благодаря форсированию мощности
дизелей наддувом успешно осуществлялась дизелизация транс-
портных судов умеренного и среднего тоннажа. На судах, вводи-
мых в строй в 1967 г., из общего объема установленной мощно-
сти 6,87 млн. кВт на долю теплоходов с малооборотными дизеля-
ми приходилось 80%, 13% — со среднеоборотными дизелями и
7% — с паротурбинными установками. Однако в последующее
десятилетие положение резко изменилось. Ближневосточный
кризис и закрытие судоходства по Суэцкому каналу обусловили
необходимость освоения новых морских путей. Для доставки
нефти в Европу из района Персидского залива кружным путем
потребовалось увеличение танкерного тоннажа, грузоподъемно-
сти и мощности СЭУ танкеров до 25—35 МВт. Повышенный
спрос на СЭУ большой мощности в основном удовлетворялся
паротурбинными установками с ГТЗА: 38% установленной мощ-
ности на судах, построенных в 1972 г., и сохранился на уровне
30% до 1975 г. Соответственно снижалась долевая мощность
энергетических установок с МОД.
С восстановлением судоходства по Суэцкому каналу сокраща-
лась постройка новых судов, появился избыточный танкерный
тоннаж (прикольный флот до 1000 ед.). На строящихся судах
вновь повышалась долевая мощность дизельных установок и к
1980 г. они занимали доминирующее положение.
Дизелизации новых судов способствовали не только кризисные
ситуации, в частности, повышение цен на нефть в 1974 и 1979 гг., но
и прогресс в области судового дизелестроения, выразившийся в повы-
шении экономичности, удельной и агрегатной мощности. С введени-
ем новых типов судовых дизелей с повышенным наддувом и пони-
женной частотой вращения разрыв в экономичности СДУ по сравне-
нию с другими типами энергетических установок к 1980 г. становится
особенно значительным (табл. 1.1).
Рис. 1.1. Долевая мощность СЭУ, %, по заказам судов:
1,2 — дизельные установки соответственно с МОД и СОД; 3 — ПТУ
Таблица 1.1
Энергия, % СДУ ПТУ Комбинированная ГТУ ГТУ
Общая полезная с учетом 60 40 45 35
утилизации
Отдаваемая на винт 50 35 40 30
Необходимость снижения эксплуатационных затрат привела
не только к отказу от строительства новых судов с ПТУ и ГТУ,
но и к переводу скоростных контейнеровозов с ГТУ на дизель-
ный привод. Успешное применение дизельных установок объяс-
няется также тем, что они удовлетворяют основным требовани-
ям, предъявляемым к СЭУ морских судов:
высокой топливной экономичности, обеспечивающей необходи-
мую автономность плавания и умеренные эксплуатационные затраты;
надежности с точки зрения функционирования и безопасно-
сти работы на ходовых и маневренных режимах, ремонтопригод-
ности и безопасности обслуживания;
маневренным качествам — фактор безопасности мореплава-
ния в стесненных фарватерах и при выполнении швартовных
операций;
доступности автоматизации процессов управления и кон-
троля;
массо-габаритным характеристикам, соответствующим основ-
ным типам судов.
Вводятся экологические требования, ограничивающие воздей-
ствие вредных выбросов от судов и энергетических установок на
окружающую среду. Соответствие требованиям учитывается при
проектировании дизельных установок и реализуется в процессе
их эксплуатации.
Современные СЭУ. По способу передачи мощности на греб-
ные винты современные СЭУ делят на установки с прямой пере-
дачей, дизель-редукторные и дизель-электрические. Такая клас-
сификация позволяет судить о типе главных дизелей, комплекта-
ции установки вспомогательными механизмами и устройствами,
ее конструктивных и эксплуатационных особенностях.
На морских теплоходах наиболее распространены установки с
прямой передачей мощности на винт фиксированного шага. В каче-
стве главных двигателей в таких установках обычно применяют
малооборотные двухтактные крейцкопфные дизели (табл. 1.2).
Благодаря наддуву, совершенствованию рабочих процессов и
конструкций, среднее эффективное давление ре этих дизелей
достигло 1,7 МПа, что втрое превышает ре дизелей без наддува.
В развитии дизелей отмечается новый этап — появление длин-
10
исходных конструкции с отношением хода поршня к диаметру
S/D = 3-4,17, позволяющим работать с пониженной частотой
вращения (70—75 об/мин) на винт увеличенного диаметра.
В новых дизелях благодаря применению внутриканального
охлаждения деталей ЦПГ реализуется принцип независимого
управления уровнями механических и тепловых напряжений. Та-
кие решения совместно с усилением подшипниковых узлов, де-
талей движения и остова позволили существенно уменьшить ог-
раничения по максимальному давлению сгорания pz.
В результате получены рекордно низкие удельные расходы то-
плива ge — 170 г/(кВт • ч) и общее повышение экономичности
дизельных установок до 20—30%. Дизели предназначены для ра-
боты на тяжелом топливе, а оптимизация конструкции и пара-
метров дает основание считать, что и по характеристикам надеж-
ности, ресурса, затратам на обслуживание крейцкопфные судо-
вые дизели 90-х годов превзойдут аналогичные показатели для
дизелей, установленных на судах действующего флота.
Установки с прямой передачей автоматизируются на класс Ре-
гистра А-1 или А-2. Применение автоматизированного управле-
ния, контроля и средств технического диагностирования позво-
ляет более обоснованно назначать режимы и проводить обслужи-
вание и ремонт по фактическому состоянию узлов.
Расположение и привод вспомогательных механизмов, обслу-
живающих главный дизель, зависят от мощности. До недавнего
времени преимущественно был распространен автономный при-
вод вспомогательных механизмов от судовой электростанции. Он
позволяет обеспечить оптимальные режимы смазывания и охла-
ждения независимо от частоты вращения и нагрузки дизеля, уп-
рощает обслуживание и проведение профилактических меро-
приятий. В последнее время все большее число установок обору-
дуются утилизационными турбогенераторами, а в новых крейц-
копфных дизелях предусматривается и использование валогене-
раторов.
Эксплуатационные достоинства установок с прямой пере-
дачей обусловливаются типом главного дизеля и отсутствием до-
полнительных устройств в передаче. Главные преимущества: вы-
сокие надежность и экономичность, большой моторесурс (до
120 тыс. ч), сравнительно низкий уровень шума, широкие воз-
можности использования тяжелого топлива.
Установки достаточно просты и надежны в эксплуатации. Об-
служивание их во время хода судна состоит в поддержании тре-
буемой частоты вращения главных дизелей, наблюдении за на-
грузкой цилиндров, работой вспомогательных дизелей и обслу-
живающих механизмов.
11
Дизель (тип и наименование судна)
Ле,
МВт
БМЗ — Бурмейстер и Вайн:
7ДКРН 80/160-4 (газовоз "Смольный”,
танкер "Победа")
9ДКРН 80/160-4 (контейнеровоз
"Капитан Гаврилов", нефтерудовоз "Ака-
демик Сеченов")
БМЗ — МАН — Бурмейстер и Вайн:
6ДКРН 45/114-7 (ролкер "Павловск")
6ДКРН 67/170-7 (танкер "Командор
Федь ко")
6ДКРН 36/98-12 (лесовоз "Механик
Макарьин")
Ульяник — Бурмейстер и Вайн
10K45GF (паром "Герои Шипки")
Вяртсиля — Ваза VASA46 (ролкер
"Магнитогорск")
Цигельски — Зульцер:
6RHD-76 (рудовоз "Нико Николадзе")
6RHD-90 (контейнеровоз "Художник
Сарьян")
8RHD-90 (нефтерудовоз "Маршал
Буденный")
Вяртсиля — Зульцер 12Н40/48 (ледо-
кол "Ермак")
12,35
15,9
3,9 х 2
7,8
2,074
6,5
8,15 х 2
8,85
12,8
17,1
3,5
Таблица 1.2
Ре* МПа Пм 8& г/(кВт - ч) р^МПа Ps> МПа ГТ,°С
1,1 0,92 220 8,3 0,22 450
1,1 0,92 220 8,3 0,22 450
1,3 0,9 198 9 0,275 450
1,3 0,92 190 9 0,275 430
1,68 0,89 178 17 0,37 430
1,21 0,9 225 8,3 0,22 450
2,5 0,91 183 18 0,3 450
1,05 0,91 208 8,5 0,23 390
1,09 0,907 208 8,5 0,23 380
1,07 0,91 208 8,5 0,23 380
0,9 0,89 212 8 0,18 380
Згода — Зульцер:
6ZL40/48 (пассажиро -автопаром
"Дмитрий Шостакович")
16ZV40/48 (ролкер "Скульптор
Коненков")
MAH 14V52/55A (ролкер "Анатолий
Васильев")
Сплит-MAH K7S7 70/125 (танкер
"Сухуми")
Вяртсиля — Пилстик:
16РС2-2-400 (ролкер "Инженер
Мачульский")
18РС2-400 (пассажирское судно
"Белоруссия")
16РС2-5-400 (лихтеровоз "Юлиус
Фучик")
6PC2-3L (ро-флоу "Стахановец Котов")
СЕМТ-Пилстик:
8РС2-5-400 (пассажирское судно
"Айвазовский")
14РС2-5-400 (ролкер “Академик Туполев”)
Вяртсиля 6R32 (сухогрузное судно
"Юрий Клементьев")
МАН — Бурмейстер и Вайн 7-80МС
(контейнеровоз "Берлин")
ДМР — Зульцер 6RTA58 (ло-ро "Евге-
ний Мравинский")
3,15
7,65
10
8,25
5,9
6,6
7,65
2,3
3,8
6,7
1,95
21,7
9,54
520
520
440
140
520
520
520
520
520
520
750
88
127
200
215
1,69 0,91 200
1,46 0,9 202
1,5
1,5
1,95
1,75
1,95
1,95
1,76
1,62
1,67
0,9
0,9
0,91
0,9
0,9
0,91
0,9
0,91
0,92
215
213
208
213
208
207
197
183
180
13 0,26 470
9
9
11,7
10
11,7
Н,7
14,9
13
13,5
0,21
0,21
0,25
0,23
0,25
0,25
0,26
0,34
0,33
475
475
475
475
475
475
495
420
425
Примечание. Ne — эффективная мощность; п — частота вращения вала дизеля; ре, pv ps — давление соответственно среднее
эффективное, сгорания, наддувочного воздуха; т|м ” механический КПД дизеля; ge — удельный эффективный расход топлива; — тем-
пература топлива.
Главные дизели являются реверсивными: для перемены на-
правления хода судна изменяют направление вращения вала или
положение лопастей винта в установках с ВРШ.
В связи с дальнейшей специализацией судов для перевозки
контейнеров, пакетных грузов, колесной техники, лихтеров по-
лучили развитие дизелъ-редукторные установки, позволяющие
значительно (на 50—40%) сократить размеры машинного отделе-
ния по высоте.
Установку компонуют несколькими дизелями (от одного до
четырех), наиболее распространенный вариант — установка с
двумя дизелями. Мощность передается на гребной винт через ре-
дукторы с гидравлическими (гидрозубчатая передача), электро-
магнитными (электрозубчатая передача) или фрикционными
муфтами.
В качестве главных в дизель-редукторных установках исполь-
зуют дизели с высоким наддувом, преимущественно четырех-
тактные (основные параметры некоторых среднеоборотных дизе-
лей см. в табл. 1.2). Доля теплоходов со среднеоборотными дизе-
лями в мировом флоте возросла с 20 (1970 г.) до 40% (1987 г.) го-
довой установленной мощности (см. рис. 1.1).
Применение редуктора облегчает отбор мощности от вала для
привода генераторов тока (вал©генераторов). Главные дизели ис-
пользуют также для привода грузовых насосов на танкерах.
К преимуществам дизель-редукторных установок следует от-
нести: широкие возможности выбора главного дизеля и обес-
печение оптимального пропульсивного КПД комплекса двига-
тель—винт—корпус; большую надежность (при нескольких дизе-
лях); возможность предохранения дизелей от ударов со стороны
винта и предохранения валопровода от опасных крутильных ко-
лебаний.
Однако из-за потерь в редукторе и муфтах и повышенного
расхода масла экономичность дизель-редукторных установок на
5% ниже экономичности установок с прямой передачей. Допол-
нительные устройства в виде редукторов, муфт, насосов услож-
няют конструкцию и обслуживание.
Эти трудности преодолеваются высокой степенью автоматиза-
ции управления движительным комплексом: винтом регулируе-
мого шага, муфтами, главными и вспомогательными дизелями.
В установке с ВФШ главные дизели выполняют реверсивны-
ми. В обычных условиях маневрирование осуществляется пооче-
редным подключением муфт дизелей, работающих в различных
направлениях, в экстренных случаях — непосредственно двигате-
лями при включенных муфтах.
Менее распространены дизель-редукторные установки с бы-
строходными нереверсивными двигателями мощностью до
14
2200 кВт. В таких установках направление вращения гребного
винта изменяют при помощи реверс-редуктора с дистанционным
управлением для ВФШ.
Дизелъ-электрические установки применяют на ледоколах, паро-
мах, экспедиционных судах ледового плавания, где маневренные
качества установки имеют первостепенное значение. Высокие ма-
невренные качества достигаются при работе на постоянном токе,
однако при этом по сравнению с работой на переменном токе уве-
личиваются потери в передаче. КПД дизель-электрической уста-
новки, работающей на постоянном токе, на 15—20% ниже КПД
установок с прямой передачей. Обслуживание установки ведется
более квалифицированным и многочисленным персоналом.
Главные дизели не связаны непосредственно с винтом, частота
вращения их постоянная или регулируется ступенями.
В последние годы в установках с электродвигателями достиг-
нут определенный прогресс в отношении снижения потерь в пе-
редаче. Применение силовой полупроводниковой техники позво-
лило перейти на переменно-постоянный ток, а затем и полно-
стью на переменный ток. В первом случае переменный ток, вы-
рабатываемый главными генераторами, в силовых тиристорах
преобразуется в постоянный, используемый в гребных электро-
двигателях постоянного тока. Благодаря этому сохраняются ма-
невренные качества установки и на 5—8% снижаются потери
энергии в передаче. Во втором случае используются синхронные
гребные электродвигатели. Мощность и тяговые характеристики
на переменных режимах обеспечиваются автоматической систе-
мой регулирования частоты тока.
Рассматривая перспективы развития СЭУ, можно отметить,
что ввод новых мощностей дизельных установок с МОД и СОД в
соотношении 60 и 40% в основном сохранится и на ближайшие
10—20 лет. Основанием этого является примерно одинаковый
прогресс в развитии обоих типов дизелей.
Параметры рабочего процесса, определяющие экономичность
и надежность новых дизелей, близки между собой (табл. 1.3).
Таблица 1.3
Параметр МОД 4RTX54 (HCD) СОД Ваза 46 (Вяртсиля)
Диаметр цилиндра, мм 540 460
Ход поршня, мм 2150 580
Отношение S/D 3,98 1,26
Частота вращения, об/мин 118 450/120
Средняя скорость поршня, м/с 8,5 8,7
Среднее эффективное давление, МПа 2 2,5
Максимальное давление, МПа 18 18
15
Окончание табл. 1.5
Параметр МОД 4RTX54 (HCD) СОД Ваза 46 (Вяртсиля)
Цилиндровая мощность, кВт 1950 905
Удельный эффективный расход топли- ва, г/(кВт • ч) 155 163
Существенно отметить, что при создании новых дизелей боль-
шое внимание уделяется эксплуатационной надежности: совер-
шенствованию систем регулирования, управления и контроля.
Так, при разработке дизеля RTX фирма НСД (New Sulzer Diesel)
предусматривает использование электронных систем управления,
регулирования и безопасности (рис. 1.2).
Система впрыска топлива и выпускные клапаны имеют гид-
равлический привод, управляемый электроникой. Фазы топливо-
подачи, моменты открытия й закрытия выпускных клапанов за-
висят от эксплуатационного режима (скоростной или нагру-
зочный). Система электроники также управляет работой пуско-
вых клапанов, что обеспечивает снижение расхода воздуха при
пуске и реверсировании дизеля.
Рис. 1.2. Дизель Зульцер
RTX с элементами элек-
тронного управления:
1 — гидростанция; 2 — насос
цилиндровой смазки; 3 —
ТНВД; 4 — форсунка; 5, 8 —
выпускной и пусковой клапа-
ны; 6, 7 — системы контроля
и безопасности; 9 — турбоком-
прессор; 10 — цилиндр
16
Подача масла на смазывание цилиндров и моменты его посту-
пления также регулируются электроникой. Это имеет значение
для снижения расхода смазочного масла и уменьшения нагаро-
образования в цилиндрах и трактах, особенно значительные на
режимах малого хода. Для повышения топливной экономично-
сти предусматривается установка трех форсунок на каждый ци-
линдр. При этом достигается снижение температуры стенок и
равномерность распределения температуры в камере сгорания.
Потенциальные преимущества имеет также система охлаждения
цилиндров, температурный режим которых регулируется в зависи-
мости от нагрузки дизеля. Это позволяет оптимизировать тепловое
состояние цилиндров с точки зрения условий смазывания и ис-
ключения коррозионного изнашивания на малых нагрузках.
На примере дизеля Ваза 46 фирмы Вяртсиля также можно от-
метить внедрение конструктивных и технологических решений,
обеспечивающих максимальную надежность дизеля в эксплуата-
ции: коленчатый вал с развитым диаметром шеек отличается по-
вышенной жесткостью и пониженным давлением на подшипни-
ки: шатун с нижней головкой "морского” типа, цилиндровая
втулка с внутриканальным охлаждением, поршень с встроенной
системой подачи масла под нижнее поршневое кольцо; турбо-
наддув при изобарном давлении с закруткой потока в выпускном
коллекторе для сохранения кинетической энергии газа перед
турбиной; организация процесса сгорания с двойным впрыском
топлива. Первая порция топлива подготавливает условия для ин-
тенсивного сгорания основной цикловой подачи с малым перио-
дом задержки воспламенения. В результате при высоком давле-
нии pz скорость повышенного давления при сгорании не превы-
шает максимальных значений Др/Дф в процессе сжатия. Плавное
повышение давления в цилиндре при сгорании топлива способ-
ствует снижению температурных и механических напряжений в
деталях камеры сгорания и повышает надежность работы под-
шипников.
Повышение надежности и экономичности СОД обусловило
их распространение на судах. Уже в 1987 г. установленные мощ-
ности этих дизелей составили 40% (см. рис. 1.1). Их используют
не только на специализированных судах малого и среднего тон-
нажа, но и на универсальных рефрижераторных судах, танкерах
и др. В то же время практика заказов, отражающая интересы су-
довладельцев и судостроителей, свидетельствует о том, что в на-
стоящее время МОД продолжает доминировать на крупнотон-
нажных судах и благодаря выпуску крейцкопфных дизелей с ма-
лым диаметром цилиндра (типа S26MC) успешно используются
и на судах малого тоннажа (табл. 1.4, см. табл. 1.2).
17
Таблица 1.4
Мощ-
ность,
МВт
СОД
СОД или МОД
МОД
10,3
10,3
8,8
8,8
7,4
7,4
5,9
Военные корабли
Круизные лайнеры
Паромы
Морские буксиры
Ледоколы
Суда снабжения
5,9
4,4
2,9
1,5
Научно - исследова-
тельские суда
Рыболовные тра-
улеры
Земснаряды
Портовые буксиры
Служебные суда
Суда малого и сред-
него тоннажа
Универсальные
Г рузовые
Продукта возы
Химовозы
Танкеры
Контейнеровозы
(менее 1500 контей-
неров)
Рефрижераторные
суда
Ролкеры малого и
среднего тоннажа
Крупнотоннажные тан-
керы
Танкер ы-продуктовозы
Балкеры
Нефтерудовозы
Г азовозы
Крупнотоннажные
универсальные суда
Контейнеровозы (более
1500 контейнеров)
Крупнотоннажные
ролкеры
Лихтеровозы
Технико-экономический анализ фирмы МАН — "Бурмейстер
и Вайн" по использованию энергоустановок с МОД и СОД на
балкерах типа "Рапашах" грузоподъемностью 58 тыс. т показыва-
ет, что затраты на топливо, смазочное масло и на техническое
обслуживание СЭУ с дизелем 4S70MC в среднем на 10% ниже,
чем с дизелем Ваза 9R46, особенно в вариантах МОД с валогене-
ратором и системой турбокомпаунд (табл. 1.5).
Таблица 1.5
Параметр Установка с МОД 4S70MC в сочета- нии с оборудованием Установка с СОД Ваза 9R46 и ВГ
ДГ ТКС ВГ ТКС и ВГ
Максимальная длительная 7868 7868 8331 8331 8148
мощность ГД, кВт
Расход топлива, т/год:
ГД 7297 7113 7879 7641 6266
дг 577 577 — —
Стоимость топлива, 787,4 769 787,9 764,1 826,6
тыс. дол ./год:
масла 60,878 60,878 60,098 60,098 73,06
технического обслуживания 71,112 71,112 64,787 64,787 13,216
18
Окончание табл, 1. 5
Параметр Установка с МОД 4S70MC в сочета- нии с оборудованием Установка с СОД Ваза 9R46 и ВГ
ДГ ткс вг ТКС и вг
Затраты, тыс. дол ./год:
суммарные 919,39 900,990 912,785 888,985 1012,876
относительные (по отноше- нию к варианту с СОД) 0,908 0,889 0,901 0,878 1.0
Разность в затратах (по отно- шению к варианту с СОД), тыс. дол ./год -93,486 -111,886 -100,091 -123,891 0
Таблица 1.6
1986 - 1995 гг.
2001 - 2010 гг.
Параметр
Среднее эффективное дав-
ление, МПа
Удельный расход топлива
(легкого), кг/(кВт • ч)
Удельная масса, кг/кВт
Наработка на отказ, ч • 103
Удельная трудоемкость
технического обслуживания,
чел-ч/кВт
МОД
1,1 ” 1,4
175 - 155
19 - 50
1,7
0,4 - 0,5
СОД
1,8 -2,4
176 - 168
11,5 - 16
1,0
1,6
МОД
1,4— 1,9
До 150
15,0 - 40,0
3 - 3,5
0,15 - 0,2
сод
2,0 - 2,6
До 155
9,5 - 14,5
3,0
1,0
Учитывая совершенствование технико-эксплуатационных ха-
рактеристик судовых дизелей (табл. 1.6), принципиальные воз-
можности комплектации энергетических установок морских су-
дов дизелями с низкой частотой вращения и передачей мощно-
сти непосредственно на гребной винт остаются важным факто-
ром преимущественного их использования и на перспективных
судах. Это позволит не только достичь высоких показателей
энергоиспользования, но и максимально возможно сократить
номенклатуру и число вспомогательных механизмов. В совре-
менных установках с МОД и ВГ ходовые режимы обеспечивают-
ся на одном сорте тяжелого топлива с минимальными эксплуата-
ционными затратами.
1.2. ПРОПУЛЬСИВНЫЙ КОМПЛЕКС. СОСТАВ ГЛАВНОГО
И ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Пропульсивный комплекс. В дизельной энергетической уста-
новке пропульсивный комплекс является главной взаимодейст-
вующей системой элементов, обеспечивающей ходовые и манев-
ренные качества, безопасность мореплавания. В эксплуатации
19
Рис. 1.3. Машинная
установка углерудо-
воза с главным ди-
зелем 4RTA84:
1 — утилизационный
котел; 2 — выпускной
трубопровод; 3 —
дизель; 4 — валопровод;
5 — гребной винт
(см. Правила технической эксплуатации судовых технических
средств) пропульсивному комплексу уделяется наибольшее внимание.
Как отмечалось в п. 1.1, на транспортных судах чаще всего
применяют пропульсивные комплексы с малооборотными двух-
тактными дизелями и прямой передачей мощности на гребной
винт. Обычно используется одновальная схема с расположением
машинной установки в кормовой части судна (рис. 1.3). Прямая
передача представляет собой жесткое соединение коленчатого
вала с упорным, промежуточными и дейдвудным валами, состав-
ляющее валопровод энергетической установки (рис. 1.4). Вало-
провод передает крутящий момент дизеля на гребной винт, а
также осевые усилия от упора гребного винта, воспринимаемые
упорным подшипником и корпусом судна.
Следует учитывать, что валопровод с навешенными механиз-
мами (детали КШМ, маховик, гребной винт) представляет собой
упругую систему, обладающую инерцией и недостаточной кру-
тильной и продольной жесткостью. Во время работы валопровод
из-за неравномерного момента дизеля и упора гребного винта
20
Рис. 1.4. Валопровод прямой передачи:
1 — гребной винт; 2, 3, 4 ~ дейдвудный, промежуточный и упорный валы
Рис. 1.5. Упорный подшипник скольжения дизеля Бурмейстер и Вайн;
1, 2 “ датчики давления масла и температуры сегментов; 3, 4 — трубопроводы подвода и от-
вода масла
Рис. 1.6. Опорный подшипник скольжения с кольцевой системой смазывания:
1 — смазочное кольцо; 2, 3 — трубопровод подвода и отвода воды; 4 — отражатель; 5 — ка-
нал стока масла
21
испытывает крутильные, изгибающие и осевые колебания. Это
обстоятельство учитывают при проектировании введением коэф-
фициентов динамического усиления валов и исключения опас-
ных крутильных колебаний из зоны эксплуатационных режимов.
Согласно Правилам Регистра судоходства головные установ-
ки проверяют на крутильные колебания. Расчетным или экспе-
риментальным путем определяют амплитуды колебаний, напря-
жений и критические (резонансные) частоты вращения вала ди-
зеля. В зависимости от напряжений назначают запретные зоны
частоты вращения или диапазоны частот вращения, в которых не
рекомендуется длительная работа дизеля. Для устранения опас-
ных крутильных колебаний прибегают также к конструктивным
изменениям крутильной системы или к гашению колебаний с
помощью демпферов, антивибраторов. В мощных дизельных ус-
тановках наблюдаются также значительные осевые колебания
коленчатых валов. Для их гашения применяют осевые масляные
демпферы, располагаемые на носовом торце вала.
В эксплуатации обслуживание валопровода сводится к кон-
тролю температуры упорного подшипника (рис. 1.5), опорных
подшипников (рис. 1.6), температуры и состояния внутренних и
наружных уплотнений дейдвуда.
Для дейдвудного подшипника с бакаутовой облицовкой (рис. 1.7)
смазкой служит забортная вода и нерастворимые в воде смоли-
стые вещества бакаута, поэтому наружное уплотнение не преду-
сматривается. Нормальные смазывание и охлаждение подшипни-
Рис. 1.7. Дейдвудный подшипник с на-
бором бакаута по схеме "бочка”:
а — сальниковое уплотнение; б, в — набор и
крепление стопорных пластин; 1 — дренаж-
ные краны; 2 — набивка сальника; 3 — на-
жимной фланец
22
5)
Рис. 1.8. Дейдвудный подшипник с баббитовой заливкой и смазочная система:
а, б — уплотнения соответственно наружное (Цедерваль) и внутреннее (Симплекс); 1 —
бронзовая облицовка вала с заливкой баббитом; 2 — бронзовая кольцевая коробка; 3 — уп-
лотнительное кольцо с заливкой баббитом; 4 — облицовочная втулка; 5 — уплотнительные
кольца; 6 — гравитационная цистерна
23
ка обеспечиваются протоком воды к поверхностям трения через
канавки между пластинами и выходом ее через сальник и краны
продувания в тоннель гребного вала. Для защиты дейдвудного
вала от коррозии при воздействии морской воды применена
бронзовая рубашка или облицовка из нержавеющей стали.
Износ бакаута ускоряется при плавании на мелководье из-за
попадания в подшипник твердых частиц. В связи с этим при ма-
неврах в порту и на мелководье, а иногда вследствие чрезмерно-
го обжатия сальникового уплотнения возможен нагрев дейдвуда
и необходимо его интенсивное прокачивание.
Для дейдвудных устройств с заливкой подшипников бабби-
том предусматриваются внутреннее и наружное уплотнения
дейдвудной трубы. Для смазывания дейдвудного подшипника
масло централизованно поступает из гравитационной цистерны,
располагаемой на уровне 3 м над ГВЛ (рис. 1.8). Концевые уп-
лотнения дейдвудной трубы предотвращают протечки масла и
контакт его с забортной водой. Особенно жесткие требования
предъявляются к наружному уплотнению. Потеря плотности
вследствие износа облицовочных втулок, старения материала уп-
лотнительных колец, трещин ведет к попаданию масла в заборт-
ную воду и загрязнению акватории' порта. Состояние уплотне-
ний контролируют по уровню масла в гравитационной цистерне, а
при стоянке в порту — также по наличию масляной пленки на по-
верхности воды в районе гребного винта. Допустимые протечки
масла не должны превышать 1 кг в сутки. Уплотнительные кольца
подлежат замене через 4 года, облицовочные втулки через 7—8 лет.
Простота обслуживания и надежность пропульсивного ком-
плекса с прямой передачей несколько утрачиваются при исполь-
зовании ВРШ. Сложная конструкция механизма разворота лопа-
стей дополняется гидравлической системой и устройствами для
подвода масла к сервоцилиндру, располагаемому в ступице
ВРШ (рис. 1.9). В зависимости от задания хода через устройство
управления и контроля шага масло под рабочим давлением, созда-
ваемым насосами, подводится в каналы пустотелого дейдвудного
вала и поступает либо в кормовую полость по центральной трубе,
перемещая сервопоршень и лопасти винта на ход вперед, либо в
носовую полость по кольцевому каналу при ходе назад. Труба
(штанга) жестко связана с серводвигателем и при его движении
выполняет роль жесткой обратной связи, воздействующей на воз-
вращение сервопоршневого клапана в нейтральное положение.
В соответствии с требованиями морского Регистра судоходст-
ва система гидравлического управления оборудуется двумя насо-
сами одинаковой подачи, предусматривается установка резервно-
го насоса с ручным приводом. При выходе из строя системы
управления должна быть обеспечена установка лопастей в поло-
24
1
Рис. 1.9. Система управления ВРШ типа VBS фирмы МАН — "Бурмейстер и Вайн":
1, 2, 6 — цистерны соответственно дейдвудной трубы, носового сальника, масляная; 3 — уст-
ройство контроля шага; 4, 8 — масляные насос (с электрическим приводом) и охладитель; 5,
7 — фильтры; 9 — термостатический клапан
жение переднего хода. Эксплуатация системы с ВРШ сводится к
контролю за состоянием уплотнения по стоку масла из механизма
управления шагом и уплотнений дейдвудной трубы, периодиче-
ским наблюдениям за уровнем масла в гравитационных цистернах,
оборудованных также сигнализацией по минимальному уровню.
Следует помнить, что управление ВРШ возможно лишь при от-
сутствии воздуха в системе, что достигается периодическим его
удалением через воздушные краны. Отказы в выполнении команд
на изменение положения лопастей, нагрев насосов подачи масла и
неравномерная их работа свидетельствуют о наличии воздуха в
системе. После ремонтных работ по ВРШ и системы управления
следует в течение 2—3 недель особенно часто удалять воздух.
Комплектация СЭУ и пропульсивного комплекса определяются
типом главного двигателя. С 1980 г. выпускаются только длинно-
ходные двухтактные дизели с прямоточно-клапанной продувкой,
передающие мощность непосредственно на винт при пониженной
частоте вращения. Для лучшей приспособляемости к судам раз-
личного назначения в спецификации дизелей типа МС фирмы
25
Рис. 1.10. Диаграммы спецификацион-
ных режимов дизелей RTA, RTA-M,
МАН — Бурмейстер и Вайн типа МС
МАН — ’’Бурмейстер и Вайн” предусмотрены три серии дизелей, раз-
личающихся отношением хода поршня к диаметру: дизели КМС —
для контейнеровозов с ограниченными возможностями размеще-
ния винта большого диаметра (S/D — 3); LMC — для сухогрузных
теплоходов умеренного и среднего водоизмещения (S/D = 3,24);
SMC — свервдлинноходные для балкеров, танкеров (S/D = 3,82).
Для современных дизелей МАН — Бурмейстер и Вайн типа
МС и Зульцер типа RTA характерно развитие конструкций, до-
пускающих согласование двигателя (одного типоразмера с раз-
личными спецификационными параметрами) и гребного винта.
Это достигается возможностью выбора мощности и частоты вра-
щения в границах поля спецификационных режимов 7^—-Л4 для
дизелей RTA и Lx—Z4 для дизелей МС (рис. 1.10, табл. 1.7, 1.8).
На первый взгляд может показаться нецелесообразным двига-
тель с номинальной мощностью 100% устанавливать на судно с
заниженным по сравнению с номинальными значениями мощ-
ности (до 55—65,5%) и частоты вращения (до 82—72%). Но для
судовладельца привлекательными моментами здесь являются со-
ображения экономии эксплуатационных затрат на топливо,
техническое обслуживание, ремонт и запасные части. Данные
рис. 1.10 показывают, что в области пониженных значений Ne
26
RTA84M
RTA84
RTA76
RTA72
RTA68
RTA62
RTA58
RTA52
RTA48
Таб ли ца 1.7
Марка
дизеля
Отноше- ние S/D, мм/мм Точка ди- аграммы нагрузок (см. рис. 1.10) Частота вращения и, об/мин Цилин- дровая мощ- ность кВт Удельный расход топлива ge, г/(кВт ч) при Ne, %
100 85
Число
цилин-
дров /
2900/840
2400/840
2200/760
2500/720
2000/680
2150/620
1700/580
1800/520
1400/480
Зульцер
*1
*3
*1
^2
*1
r2
*3
*2
*3
*1
*2
*3
*1
R2
*1
78
78
56
56
90
90
65
65
98
98
71
71
91
91
66
66
108
108
78
78
106
106
76
76
127
127
92
92
126
126
91
91
154
3460
1900
2490
1900
3310
1820
2380
1820
2710
1490
1950
1490
2570
1410
1860
1410
2170
1190
1560
1190
1900
1050
1360
1050
1590
870
1140
870
1330
740
960
740
1090
170
159
169
162
171
163
170
163
173
165
171
165
171
160
170
163
174
166
173
166
173
162
171
165
175
167
174
167
174
163
173
166
178
167
159
166
160
169 1
163
167
162
170
165
169
163 J
169
160
167
162
171
166
170
165
170
162
169
163
173
167
166 r
171
1631
170 >
165.
175 }
4 — 10;
12
4—10;
12
14 - 10;
12
4-8
4-9
4-8
4-9
27
Продолжение табл. 1.7
Марка
дизеля
RTA38
Отноше- ние S/D, мм/мм Точка ди- аграммы нагрузок (см. рис. 1.10) Частота вращения л, об/мин Цилин- дровая мощ- ность Удельный расход топлива г/(кВт • ч) при Ng, %
#ец, кВт 100 85
я2 154 600 170 170
Я3 111 780 177 174
Л4 111 600 170 169
1100/380 Я1 196 680 181 178
Л2 196 370 173 173
Яз 141 490 179 177
я< 141 370 173 171
Число
цилин-
дров /
МАН ~ Бурмейстер и Байн
S90MC
S80MC
L80MC
L80MC
L70MC
L60MC
L50MC
L42MC
2916/900
3056/800
2592/800
2400/800
2268/700
1944/600
1620/500
1360/420
^2
^4
^2
£4
к
74
74
61
61
77
77
63
63
83
83
68
68
93
93
76
76
96
95
78
78
111
111
91
91
133
133
109
109
159
3710
2970
3040
2440
3350
2680
2750
2200
2920
2340
2390
1920
3030
2420
2480
1990
2240
1800
1840
1470
1650
1320
1350
1080
1140
920
940
750
810
171
165
171
165
171
165
171
165
172
166
166
166
172
166
172
166
172
166
172
166
173
167
174
167
174
169
175
169
176
169
162
169
162
169
162
169
162
170
163
170
163
170
163
170 ►
163
170 ,
163 1
170
163
171
165
171
165
172
160
172
166
174 '
4 — 12
4 — 12
4 — 8
28
Окончание табл. 1:7
Марка дизеля Отноше- ние S/D, мм/мм Точка ди- аграммы нагрузок (см. рис. 1.10) Частота вращения n, об/мин Цилин- дровая мощ- ность кВт Удельный расход топлива г/(кВт ч) при N# % Число цилин- дров i
100 85
159 650 176 167
L3 130 660 176 174
l4 130 530 170 167
L35MC 1050/350 Li 200 560 179 178
200 450 174 165
h 164 460 174 172
164 370 174 172
S26MC 980/260 Ll 250 400 179 176
250 320 174 173
Li 212 340 179 178
212 275 174 173
Таблица 1.8
Поле режима Среднее эффектив- ное давление ре, % Частота п, % вращения Эффективная мощ- ность Ne, %
100; 100 100; 100 100; 100
80; 55 100; 100 80; 55
*3 100; 100 82; 72 82; 72
£4, Л4 80; 40 82; 72 65,5; 55
и п двигатель работает с наименьшими удельными расходами топ-
лива [снижение &ge = 5 4- 8 г/(кВт • ч)]. При этом моторесурс и на-
работки между моточистками будут наибольшими (до 20 тыс. ч).
Дополнительный выигрыш в снижении расхода топлива получа-
ется и от снижения частоты вращения при увеличении диаметра
гребного винта и повышении его КПД (на каждый 1% снижения
частоты вращения увеличение КПД винта в среднем составляет
0,25%). Иначе говоря, первоначальные затраты из-за повышен-
ной стоимости 1 кВт установленной мощности в процессе экс-
плуатации окупаются через 1 — 1,5 года.
Характерным для установок с малооборотными дизелями яв-
ляется полное обеспечение потребностей судна в электрической
и тепловой энергии путем использования валогенераторов и ути-
лизации теплоты выпускных газов и охлаждающей воды.
Как показано в п. 1.1, в 80—90-е годы отмечается повышен-
ный спрос на энергетические установки со среднеоборотными
дизелями. Пропульсивные комплексы с СОД оборудуются не-
сколькими главными дизелями, редукторной передачей, муфта-
ми сцепления и ВРП1 (рис. 1.11). Необходимые мощности при
29
Рис. L1L Пропульсивная установка с дизелями 16ZV 40/48:
7 — ВРШ; 2 — механизм изменения шага; 3 — упорный подшипник; 4 — муфта сцепления;
5 — редуктор; 6 ~ гибкая соединительная муфта; 7 — пневматическая муфта валогенерато-
ра; 8 — валогенератор
умеренных размерах и массах здесь обеспечиваются повышенной
частотой вращения главных дизелей (450—500 об/мин) и уве-
личением числа цилиндров (до 36 и более в многомашинных и
двухвальных установках). Усложнение и дополнительные потери
в передаче в какой-то мере компенсируются возможностями вы-
бора оптимальной частоты вращения гребного винта. Однако
большое число цилиндров нежелательно по соображениям повы-
шенных затрат на ТО и ремонт. Этот недостаток преодолевается
увеличением размеров цилиндра и повышением среднего эффек-
тивного давления. Так, наиболее мощные дизели МАН — Бур-
мейстер и Вайн L 58/64, Ваза 46/58, Зульцер ZA40S соответст-
венно цилиндровой мощностью 1325, 905, 720 кВт в рядном и V-
образном исполнениях удовлетворяют требованиям к главным
судовым дизелям крупнотоннажных судов.
В отличие от МОД среднеоборотные дизели — четырехтакт-
ные. Их форсирование также сопровождается увеличением отно-
шения S/D, степени сжатия, давления наддува и среднего эффек-
тивного давления. Несмотря на умеренные массогабаритные ха-
рактеристики СОД, изыскиваются возможности дальнейшего со-
кращения длины машинного отделения при компоновке дизеля с
главной передачей. В одном из решений пропульсивного ком-
плекса NFP предусматривается отбор мощности на винт от носо-
вого торца коленчатого вала и размещение валопровода под дви-
гателем (рис. 1.12). В проекте энергетической установки балкера
типа Рапатах дедвейтом 64 тыс. т с двигателями Ваза 8R46 ком-
поновка также позволяет сократить длину машинного отделения
на 2,1 м (по сравнению с установкой дизеля 4S70MCE).
Эксплуатационные особенности энергетической установки с
СОД в основном определяются наличием редуктора и разобщи-
30
Рис. 1.12. Компоновка пропульсивного комплекса типа NFP и ВРШ контейнер-
ного судна (дедвейт 3000 т, Ne = 3200 кВт):
1 — гибкая соединительная муфта; 2 — редуктор
тельных муфт в главной передаче. Пуск и подогревание дизеля
производится при отключенных муфтах.
В случае п ~ 0,5лном дизели сообщаются с гребным винтом
(обычно ВРШ) при гидродинамическом (нулевом) шаге. После-
дующее маневрирование судна осуществляют изменением шага и
частоты вращения в соответствии с программами управления
комплексом ГД—ВРШ.
Наличие редуктора и муфт усложняет передачу и вызывает до-
полнительные потери в подшипниках, зацеплении колес редук-
тора. Кроме того, передача требует энергии для централизован-
ного смазывания редуктора, управления жесткими муфтами сце-
пления и подвода рабочего масла к гидродинамическим муфтам
скольжения. Последние применяют в передачах мощности на
винт судов ледового плавания, когда из-за повышенных нагрузок
со стороны гребного винта проскальзывание дисков жестких
муфт сопровождается перегревом и короблением дисков. По
этим соображениям в системах передач с жесткими муфтами
предусматриваются защита и автоматическое отключение муфты
при чрезмерном скольжении.
По требованию морского Регистра судоходства в передаче с
жесткими муфтами должен быть обеспечен аварийный пуск ди-
зелей и ход судна в случае заклинивания лопастей ВРШ. Для
этого блокируется защита муфт от скольжения и производится
их включение перед пуском дизелей. Вследствие повышенного
сопротивления со стороны гребного винта для надежного пере-
хода на топливо дизели запускаются одновременно с местных
постов воздухом повышенного давления и нагрузка их постепен-
но повышается до требуемого уровня. 31
Гидрозубчатые передачи с муфтами скольжения могут работать
и с ВФШ. В этом случае аварийные пуски и даже реверсирования
дизелей допускаются при включенных муфтах, когда скольжение
достигает 30% и более. Кроме того, муфты скольжения защищают
двигатель и винт от динамических нагрузок, а валопровод от кру-
тильных колебаний и неравномерного вращения вала. Дополнитель-
ные потери в гидродинамических муфтах, обусловленные скольже-
нием при работе на чистой воде, составляют до 3%, что нежелатель-
но и исключается их дублированием жесткими муфтами.
В дизель-редукторных установках ВРШ на ходовых режимах
электроснабжение судна полностью обеспечивается валогенера-
торами, подключенными через муфту сцепления к редуктору
простой одноступенчатой передачей (см. рис. 1.11, рис. 1.13).
Для расширения диапазона рабочих режимов валогенератора ис-
пользуют и более сложные приводы посредством редуктора с
гидростатическим поддержанием частоты вращения (л = const)
на режимах работы главного дизеля по программе комбиниро-
ванного изменения частоты вращения и шага винта. При этом
обеспечивается и более экономичная работа установки.
Пропульсивные комплексы установок с электрической передачей
мощности на гребной винт не имеют механической связи элемен-
тов. Главные дизели дня привода генераторов постоянного или пе-
ременного тока работают в генераторном режиме при постоянной
частоте вращения. Обычно используют четырехтактные СОД, а
иногда и с повышенной частотой вращения (750 об/мин). Незави-
симость режимов нагружения от частоты вращения позволяет реа-
лизовать большие пропульсивные мощности гребных электродвига-
телей и обеспечить энергоснабжение вспомогательных нужд.
Возможности парциального использования дизелей на экс-
плуатационных режимах судна позволяют оптимизировать сни-
жение расхода топлива, масла и экономию моторесурса. Дизель-
электрические установки обладают также уникальными манев-
ренными качествами. ’ Простота дистанционного управления
гребными электродвигателями с ходового мостика и их превос-
ходные тяговые характеристики позволяют нагружать динамиче-
ское нагружение гребных винтов, быстрое и многократное их ре-
версирование, в том числе в условиях экстремального торможе-
ния судна. В связи с этими качествами их преимущественно ис-
пользуют на ледоколах, судах ледового плавания, спасательных
и других судах, где маневренные качества установки являются
определяющими.
Вспомогательное оборудование ДЭУ. Энергетическая установ-
ка комплектуется вспомогательными дизелями для привода гене-
раторов тока судовой электростанции, вспомогательным и ути-
лизационными котлами, насосами, теплообменниками систем
32
2 Зак. 1596
Рис. 1.13. Компоновка валогенераторов в главной передаче океанского буксира с главными дизелями Зульцер 6ZL 40/48:
1 — ВРШ; 2 — механизм изменения шага; 3 — редуктор; 4 — ВГ; 5 — разобщительная муфта
главных, вспомогательных дизелей и общесудового назначения.
В современных установках СЭС в соответствии с требованиями
Регистра оборудуется резервными и аварийными агрегатами,
системами автоматизированного управления, контроля и защи-
ты. Поддержание вспомогательных дизелей в горячем резерве,
ввод в действие, распределение нагрузок и параллельная работа
агрегатов осуществляются автоматически.
Применение валогенераторов иногда позволяет сократить
число устанавливаемых дизель-генераторов и на эксплуатацион-
ных ходовых режимах полностью обеспечить судно электроэнер-
гией. В зависимости от типа привода возможности работы вало-
генератора характеризуются следующими данными (табл. 1.9).
По опытным данным время работы валогенератора составля-
ет 50—80% времени работы главного дизеля. Повышенная стои-
мость электростанции с ВГ окупается за 3—5 лет эксплуатации.
Автономный электропривод насосов обладает достоинствами
с точки зрения монтажа, размещения механизмов в машинном
отделении, удобства управления, обслуживания и ремонта. Но он
характеризуется и наибольшими затратами энергии по сравне-
нию с другими типами привода. Так, на малотоннажных судах с
успехом используются агрегатированные дизели с навешенными
насосами охлаждения, смазывания, подачи топлива к ТНВД и на
охлаждение форсунок, воздушными компрессорами для под-
качивания воздуха в пусковые баллоны. Расходы энергии в этом
случае снижаются на треть. Дублирующие их насосы, компрессо-
ры с электроприводом используют как резервные и при подго-
товке дизеля к работе.
Установленные мощности оборудования из расчета макси-
мальных нагрузок используются неполностью и не регулируются
Таблица 1.9
Характеристика Редуктор с гидростатичес- кой стабилиза- цией частоты Простой редук- тор ВРШ Инверторная система стабил изацион н ой частоты (ВГ встроен в линию вала)
Тип движителя ВФШ ВРШ ВФШ
КПД привода с учетом потерь в генераторе Возможность использо- вания на режимах: 0,83 - 0,85 0,88 - 0,9 0,83 - 0,85
полного хода среднего хода малого хода
маневрах _—1
Примечание. — используется, " — не используется.
34
в зависимости от режима работы, изменения температуры воды и
воздуха. Так, по данным фирмы "Альфа-Лаваль", относительное
потребление электроэнергии охлаждающими насосами забортной
воды в зависимости от температуры воды составляет:
*3.в, °C...............32 27-30 23-27
Потребление энергии, %. 100 54 17
Положение с перерасходом энергии несколько улучшается ра-
циональной комплектацией системы охлаждения. Вместо двух на-
сосов 100%-ной подачи устанавливаются три насоса 50%-ной по-
дачи с двухскоростными переключающими электродвигателями.
Расходы электроэнергии на охлаждение дизелей в этом
случае по сравнению с традиционной системой снижаются на
15%. Еще больший эффект в снижении потребления энергии да-
ет установка центрального самопроточного охладителя забортной
воды, обеспечивающего во время хода судна охлаждение пресной
воды, идущей на охлаждение двигателя, смазочного масла и над-
дувочного воздуха.
Среднеоборотные дизели (например, Зульцер ZV 40) постав-
ляются также с приводными от вала двигателя насосами охлаж-
дения и смазочными. Этот принцип широко распространен на
малотоннажных судах.
Теплофикация установки и судна осуществляется обычно с
помощью пара, вырабатываемого вспомогательными и утилиза-
ционными котлами. Пар используют для подогрева топлива в
танках основного запаса, отстойных и расходных цистернах, по-
догревателе топлива на входе в двигатель. Максимальная темпе-
ратура подогрева тяжелого топлива типа мазута М40 зависит от
давления пара в котле и обычно не превышает 140°С. В циркуля-
ционной смазочной системе предусматриваются обогрев цирку-
ляционного танка и подогрев масла в подогревателях сепарато-
ров. В системе охлаждающей забортной воды пар подводится к
кингстонным ящикам для продувания и обогрева при плавании во
льдах. Его используют также в качестве резервного источника теп-
лоты в вакуумном испарителе и при работе его на стоянке. Паром
осуществляется подогрев мытьевой воды и воды в системах калори-
ферного отопления судна и осушения воздуха в грузовых трюмах.
В системе глубокой утилизации теплоты выпускных газов ос-
новным потребителем пара является утилизационный турбогене-
ратор. На танкерах вспомогательные котлы повышенной произ-
водительности вырабатывают пар для обогрева груза, а иногда
для привода грузовых насосов.
2*
35
На ходовых режимах установка обычно обеспечивается паром
от утилизационных котлов, и затраты энергии на теплофикацию
отсутствуют или сводятся к минимуму.
1.3. ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ НАДЕЖНОСТЬ И ЭКОНОМИЧНОСТЬ СДУ
Условия надежности. Надежность и экономичность — основ-
ные требования, предъявляемые к СДУ. Способность установки
функционировать и сохранять свои рабочие параметры в течение
требуемого времени зависит от многих факторов, прежде всего
от надежности и экономичности главных двигателей и обслужи-
вающих систем. Это объясняется тем, что конструктивно-техно-
логическая надежность судовых дизелей связана с экономично-
стью и форсированием мощности. Связь эта может быть отрица-
тельной — потеря надежности в угоду экономичности или, на-
оборот, положительной, т. е. назначаемые уровни форсирования
параметров рабочего процесса, как правило одновременно
влияющие на экономичность и тепломеханическую нагружен-
ность дизелей, соответствующим образом подкрепляются совер-
шенствованием конструкций, применением новых технологий.
Примеры таких связей представляют судовые дизели 60 — 80-х го-
дов. В 60-е годы внедрение наддува двухтактных дизелей и форсиро-
вание мощности, происходившее без существенных изменений ста-
рых конструкций дизелей, сопровождались снижением их надежно-
сти, что даже породило представления о бесперспективности дизеля
в качестве основного типа двигателя для судов средней и большой
грузоподъемности. Недостаточная надежность при умеренной эконо-
мичности выражалась в частых отказах из-за интенсивных износов и
повреждений ЦПГ, подшипниковых узлов и деталей КШМ. Накоп-
ленный опыт и необходимость снижения расходов топлива заставили
поставщиков судовых дизелей уже в 70-80-е годы пересмотреть кон-
цепцию конструирования узлов и дизелей с точки зрения требования
одновременного повышения надежности и экономичности.
Современные высокоэкономичные судовые дизели удовлетво-
ряют показателям надежности в отношении работоспособности,
безотказности, долговечности, ремонтопригодности, ресурса до
переборки и капитального ремонта.
Чем же характеризуется надежность дизеля в эксплуатации?
Прежде всего надежным называют дизель, у которого в процес-
се эксплуатации не случаются отказы в работе, т. е. ситуации,
при которых вследствие повреждения деталей и узлов его даль-
нейшая эксплуатация исключается.
Различают внезапные и постепенные отказы. Внезапные, или
непредсказуемые, отказы — чаще всего следствие некачественно-
го изготовления деталей и сборки дизеля. Существенно, что у
36
дизелей, рассчитанных на длительную работу с полной нагрузкой
и находящихся в исправном состоянии, при непрерывном вах-
тенном обслуживании внезапных отказов не должно быть. Но
исходное качество деталей вследствие износа, коррозии, устало-
сти (старения) материала не остается постоянным. Накапли-
вающиеся со временем изменения формы трущихся деталей и
структуры металла камеры сгорания, отложения на поверхностях
теплообменных аппаратов и в газовоздушных трактах, коррозион-
но-эрозионные повреждения элементов топливной аппаратуры и
многие другие факторы способны вызвать неисправное состояние
и постепенный отказ в работе. Следовательно, одним из условий
обеспечения надежности дизеля в эксплуатации является поддер-
жание его в исправном состоянии. С этой целью применяют, как
известно, плановые и профилактические техническое обслужива-
ние и ремонт. Однако специфика работы судов морского флота
(круглогодичная эксплуатация, отрыв от баз обслуживания и т. п.)
затрудняют своевременное проведение этих мероприятий в пол-
ном объеме. Иногда возникает проблема, как оценить исправность
дизеля и пригодность его для дальнейшей эксплуатации. Здесь мо-
гут помочь инженерный опыт и знание основополагающих связей
надежности дизеля с конструкцией и условиями работы на судне.
Инженерный опыт формируется в процессе непосредственных
наблюдений и обобщений показаний контролирующих параметров,
косвенных и прямых оценок технического состояния узлов. Напри-
мер, из визуального осмотра деталей, подвергающихся изнашива-
нию, всегда можно сделать вывод о необходимости их замены. Так,
образование острых кромок на поршневых кольцах может привести
к задиру цилиндра, изношенные до свинцовой бронзы вкладыши
подшипников теряют несущую способность, потеря плотности кла-
панов ведет к их быстрому прогоранию. Труднее установить связь
между рабочим состоянием детали и старением материала и дать
конкретные указания о замене и объеме работ по ТО. Однако и
здесь накопление опыта по ресурсу поршней, крышек, шатунов,
крепежных деталей ответственных узлов, знание их связей с кон-
кретными условиями нагружения позволяют так организовать тех-
ническое использование и обслуживание, чтобы по возможности
исключить снижение надежности дизеля вследствие отказов. Это
требование объясняется тем, что отказ в работе дизеля может при-
вести к аварийной ситуации, угрожающей в целом безопасности
судна и экипажа. Кроме того, потеря ходового времени из-за отка-
зов обычно обходится дороже экономических выгод, получаемых,
например, от форсирования мощности и скорости.
Связь технического использования с надежностью дизеля. Час-
тично положения, определяющие эту связь, сформулированы в
Правилах технической эксплуатации судовых технических средств.
37
Перегрузка дизеля и снижение запасов прочности, В условиях дли-
тельного режима полного хода не допускается перегрузка дизеля по
крутящему моменту (указателю нагрузки или индикаторному давле-
нию), максимальному давлению сгорания и температуре выпуск-
ных газов за цилиндрами, перед и за турбиной, а также перегрузка
цилиндров. Это положение реализуется на практике путем сопос-
тавления рабочих значений контролируемых параметров с предель-
ными для конкретного дизеля, а также путем задания режимов ра-
боты на основе ограничительных характеристик, например, по до-
пустимой подаче топлива. Рабочие режимы не должны выходить за
пределы ограничительной характеристики и назначаться с некото-
рым (5—10%) запасом по отношению к допускаемой подаче топ-
лива.
Влияние режимов работы с частыми изменениями нагрузки. Сни-
жению надежности вследствие старения материала теплонапряжен-
ных деталей камеры сгорания способствует работа с переменными
нагрузками. Частые и глубокие теплосмены, вызываемые изменени-
ем подачи топлива на маневренных режимах и особенно при работе
во льдах, являются причиной термоусталости материала и, как пра-
вило, приводят к появлению трещин и разрушению деталей, ЦПГ.
Термоусталостные явления усиливаются при загрязнении поверхно-
стей со стороны охлаждения и общем повышении температуры де-
талей.
Влияние режимов работы с частыми изменениями и колебаниями
частоты вращения. Развитию усталостных явлений в материале де-
талей движения, приводах, механизмах газораспределения способст-
вуют динамические нагрузки, вызываемые изменениями частоты
вращения и сил инерции, например, при длительной работе в
штормовых условиях и неисправном регуляторе частоты вращения.
Особенно неблагоприятное влияние на запасы усталостной прочно-
сти валопровода оказывает работа дизеля в зоне резонансных и око-
дорезонансных частот вращения. Правилами технической эксплуа-
тации судовых технических средств запрещается назначение режи-
мов в зонах опасных крутильных колебаний. Следует всегда быть
уверенным в исправном состоянии демпфера колебаний. Длитель-
ная работа с поврежденным демпфером, как правило, заканчивается
тяжелой аварией из-за усталостных разрушений материала коленча-
того вала.
Чувствительность дизеля к эксплуатационным режимам. Среди
факторов, определяющих эксплуатационную надежность дизеля,
большое место отводится пониманию связей показателей тепломе-
ханической нагруженности с режимными факторами. Наиболее
рельефно эти связи прослеживаются для главного судового дизеля,
работающего на винт. Обобщающие показатели тепломеханической
нагруженности дизеля имеют кубическую или квадратичную зави-
38
симость от относительной скорости судна (или частоты вращения при
работе на ВФШ) или близкую к ней (при работе на ВРШ). Эго
значит, что нечеткость в выборе длительного режима резко отражает-
ся на уровне механических и тепловых нагрузок, а следовательно, на
надежности дизеля. Например, при повышении скорости всего на
3,2% тепловые нагрузки возрастают на 10% и соответственно сокра-
щается ресурс дизеля до переборки. Из общих связей чувствительно-
сти дизеля к режиму также следует, что его работа на малом ходу суд-
на непременно ведет к значительному снижению температуры стенок.
При этом неизбежно ухудшаются условия сгорания, смазывания и
усиливается процесс интенсивного нагарообразования в камере сгора-
ния, канавках поршневых колец, клапанах, газовыпускных трактах и
турбокомпрессорах. При длительной работе на малом ходу возникает
опасность задира тройка поршня, зависания клапанов, пожаров и
взрывов в коллекторе и выпускных трубопроводах.
Влияние режима приработки. Важным фактором повышения на-
дежности новых дизелей и прошедших моточистки и ремонт с заме-
ной основных деталей является соблюдение режима приработки.
Опыт показывает, что дизели, вводимые в строй при. тщательном
проведении режима приработки по наработке деталей ЦПГ и под-
шипников могут в 2—3 раза превосходить дизели, приработочные ре-
жимы которых не были соблюдены. В связи с этим не следует прове-
рять качество дизеля форсированием режима в гарантийный период
работы судна до завершения приработки его основных узлов.
Можно было бы продолжить перечень факторов, влияющих на
надежность дизеля в эксплуатации. Частично они обусловлены ра-
ботой топливной аппаратуры, систем наддува, смазывания, охлаж-
дения, топливоподготовки, технологией сборки, ремонта и тех-
ническим обслуживанием дизеля. Эти вопросы конкретизируются
эксплуатационными инструкциями заводов-изготовителей и тех-
нических служб пароходств. Правильная организация ТО требует
знания конструктивных особенностей дизеля ("узких мест"). Для
находящихся в эксплуатации дизелей к таким "узким местам" от-
носятся следующие конструктивные узлы.
Малооборотные дизели. Статистика показывает, что в дизелях
Зульцер RD, RND наиболее часты отказы по причине задира
поршней со стороны выпуска газов. Этому способствует конструк-
тивная особенность цилиндровых втулок, имеющих два ряда окон
для организации контурной (петлевой) продувки цилиндра (рис.
1.14, а). Ослабленное окнами сечение втулки, плохие условия сма-
зывания, неравномерное по высоте и окружности температурное
поле (рис. 1.14, б) делают этот узел весьма чувствительным к изме-
нению нагрузки, режимам охлаждения и смазывания. Перегрев и
деформация решеток окон вследствие перегрузки цилиндра и
плотной посадки втулки в блоке, нарушение смазывания вызы-
39
Рис. 1.14. Рабочая втулка дизеля RND (У — окна), изменение температуры и ин-
тенсивное изнашивание втулок дизеля 6RD76
вают местное повышенное изнашивание втулок, задевания и по-
ломку поршневых колец. В конечной стадии возможны заклинива-
ние поршня и полное разрушение перемычек окон.
Предупреждения:
названные явления усиливаются при бортовой качке судна вслед-
ствие перекладки поршней; в этих условиях требуется усиленное на-
блюдение за работой цилиндров и может потребоваться увеличение
подачи масла на сторону выпуска и снижение нагрузки дизеля;
на дизеле RHD с удлиненным тронком поршня перекладка
поршня при износе направляющих (приработочных) бронзовых
поясков (после 6000—7000 ч работы) ведет к появлению стуков в
цилиндрах и разрушению втулок; работа дизеля с изношенными
приработочными поясками тронка не допускается.
Не обладает достаточной надежностью в эксплуатации и верх-
няя часть цилиндровых втулок дизелей RD (рис. 1.15, а). В верх-
них поясках втулка ослаблена проточками для прохода воды и
может воспринимать номинальные значения pz = 7,5 МПа толь-
ко в состоянии натяга с проставочным силовым кольцом. Одна-
ко в процессе работы коррозионные явления и подвижка кольца
относительно втулки приводят к исчезновению натяга и появле-
нию радиального зазора в указанном сопряжении. В этих усло-
виях во избежание разрушения втулки от действия сил газа в ци-
40
линдре снижение давления pz на 1 — 1,7 МПа является единствен-
ной мерой обеспечения надежности. Естественно, что при этом
на 2—3 г/(кВт • ч) ухудшается экономичность дизеля.
При оценке надежности важно знать и альтернативные конст-
руктивные решения, исключающие отказы названных узлов.
Альтернативой конструкции втулок контурного газообмена с их
склонностью к задиру поршней является, как известно, прямо-
точно-клапанная продувка, в которой исключаются перегрев и
деформация втулок в районе продувочных окон (дизели МАН —
Бурмейстер и Вайн и Зульцер типа RTA).
Применение на дизелях RHD монолитной толстостенной
втулки с внутриканальным охлаждением (рис. 1.15, б) является
примером удачной реализации принципа независимого управле-
ния механическими и тепловыми нагрузками.
Другой пример касается связей конструкции с возможностью
развития аварий. Опыт показал, что желобообразование в выпу-
скном коллекторе дизеля RHD (рис. 1.16, а) служит сборником
продуктов неполного окисления масла, топлива, особенно ин-
тенсивно поступающих в коллектор на режимах малого хода. По-
следующее форсирование мощности, например, при маневриро-
вании способно вызвать частичное испарение осадков и взрыв
масляных паров в коллекторе. Образующаяся при взрыве удар-
ная волна ведет к разрушению турбокомпрессора. Этот конст-
руктивный недостаток устранен на модернизированных дизелях
RHD-М путем более низкого расположения выпускного патруб-
ка по отношению к коллектору (рис. 1.16, б).
В дизелях МАН KZE повреждениям втулок в районе окон и за-
дирам поршней, как и у дизелей Зульцер, способствуют интен-
сивное закоксовывание продувочных окон и возгорание осадков
в продувочном поясе цилиндра и подпоршневом пространстве.
При недостаточно оперативном тепловом контроле за температу-
рой нижних направляющих втулок и неприятии своевременных
мер по локализации пожара (например, снижением нагрузки или
Рис. 1.15. Развитие охлаждения цилин-
дровых втулок дизелей Зульцер:
7 — втулка; 2 — проточки; 3 — силовое
кольцо; 4 — каналы охлаждения
41
выключением цилиндра) возгорание ведет к перегреву и задиру
поршня, втулки и затем к ее обрыву по сечению окон.
Начальной причиной развития аварии является не столько
общий недостаток узла, сколько недоработка процесса газооб-
мена.
Перетекание продуктов сгорания из цилиндра в ресивер в
начальной фазе открытия продувцчных окон (так называемый
заброс газов) является источником местного коксообразования в
окнах и высокой температуры осадков.
Устранение заброса газа путем подпирающего эффекта от
сжатия воздуха в подпоршневом пространстве (по типу дизелей
Зульцер) ведет к уменьшению отложений и исключению пожа-
ров.
В дизелях MAH KSZ70/125, форсированных по р, до 1,47 МПа,
частые аварийные повреждения поршней, втулок, блоков цилин-
дров связываются с конструкцией новых монолитных цилиндро-
вых втулок. В отличие от старых составных втулок новые втулки
не имеют теплового аксиального зазора. Температурные дефор-
мации перемычек выпускных и продувочных окон при незначи-
тельном повышении температуры в поясе уплотнений способны
а)
Рис. 1.16. Выпускной коллектор дизеля RND до и после модернизации:
7 — коллектор; 2 — желобообразование; 3 — турбокомпрессор
42
Рис. 1.17. Посадочный пояс цилиндро-
вой втулки дизеля MAH KSZ 70/125В:
1 — блок цилиндров; 2 — цилиндровая втул-
ка; 3 — трещины
вызвать поломку колец, перегрев и задир тройка поршня, втул-
ки и появление водотечных трещин в блоке (рис. 1.17).
Общим для дизелей MAH KZEKSZ, Зульцер RD, RHD и др. с
контурным газообменом являются перегрев и поломка верхних
поршневых колец по причинам потери плотности, износа и заде-
вания за кромки окон (в районе замка). Хотя это обстоятельство
непосредственно и не ведет к отказу двигателя, но потенциально
создает опасность перегрева поршня. Поэтому в числе диагности-
руемых параметров состоянию колец уделяется большое внимание.
Конструктивной особенностью дизелей Бурмейстер и Вайн
DKPH, с прямоточно-клапанным газообменом является на-
личие выпускного клапана, работающего в потоке высокотемпе-
ратурного газа. Изнашивание и эрозионное разрушение поса-
дочных поясов клапана и седла особенно интенсивно протекают
при работе на тяжелом топливе. Среднее время наработки клапа-
на составляет 2 — 3 тыс. ч, после чего его надежная работа не га-
рантируется из-за потери плотности и быстрого прогорания.
На малооборотном дизеле выпускной клапан обычно выхо-
дит из строя сравнительно медленно и не ведет к дальнейшим
повреждениям деталей цпг. Работоспособность дизеля восста-
навливается за 1-1,5 ч заменой клапанного узла запасным или
ремонтным комплектом.
В современных дизелях срок службы выпускных клапанов до
5—6 тыс. ч повышают эффективным охлаждением седла, прово-
43
350 250 С
Рис. 1.18. Камера сгорания и
тепловое состояние выпуск-
ного клапана дизеля Зульцер
RTA:
7 — клапан; 2 — импеллер для
вращения клапана; 3 — седло;
4 — поршень; 5 — цилиндровая
втулка; 6 — крышка; 7 — фор-
сунка
455 С
рачиванием клапана (рис. 1.18) во время работы и совершенство-
ванием гидропневматического привода.
Другие отказы по причине интенсивного изнашивания и по-
ломки поршневых колец, появления трещин в упорных буртах
втулок не характерны для дизелей с прямоточно-клапанным га-
зообменом. Чаще всего они являются следствием нарушения тех-
нологии сборки и изготовления деталей.
Среднеоборотные дизели. Эксплуатационная надежность четы-
рехтактных СОД вследствие повышенной частоты вращения и
большого числа цилиндров существенно ниже, чем у малообо-
ротных. В 70-х годах потери ходового времени по причине отка-
зов главных дизелей судов со среднеоборотными дизелями были
44
в 8—10 раз выше, чем на однотипных судах с малооборотными
дизелями. Опыт эксплуатации также свидетельствует об уве-
личенных трудозатратах на ТО и ремонт СОД. Поддержание их
эксплуатационной надежности требует большого снижения по-
строечной мощности до (0,7 -г- 0,75) Ne ном.
"Узкие места" в четырехтактных СОД прежде всего опреде-
ляются недостаточной надежностью газораспределительного меха-
низма. Крупные отказы и аварии сравнительно часто возникают
из-за повреждения и разрушения выпускных клапанов и элемен-
тов их привода. В отличие от двухтактных МОД при большом
числе клапанов и ограниченном ресурсе их работы до переработ-
ки (3—5 тыс. ч) контроль за их состоянием затруднен. Для нор-
мальной организации ТО необходимо увеличение ресурса клапанов
до 12—16 тыс. ч. Таким требованиям удовлетворяют клапаны с ин-
тенсивным охлаждением седла и изготавливаемые из высококачест-
венных жаростойких материалов (например, из сплава "Нимоник").
К сожалению, оперативное диагностирование технического
состояния клапанов разработано недостаточно. Косвенные мето-
ды по параметрам рабочего процесса и измерению протечек воз-
духа требуют значительного времени и недостаточно информа-
тивны. Качественное регулирование газо- и топливораспределе-
ния, параметров рабочего процесса, исключение перегрузочных
режимов и режимов с недостаточной подачей воздуха на зарядку
и продувку камеры сжатия остаются важными факторами обес-
печения надежности выпускных клапанов в эксплуатации.
На второе место по трудоемкости обслуживания и частоте по-
вреждений после выпускных клапанов можно поставить газовы-
пускные трубопроводы среднеоборотных дизелей с импульсным
наддувом. Прогорание компенсаторов и труб, нарушение плот-
ности фланцевых соединений, сопровождающиеся потерей энер-
гии газов и снижением параметров наддува, являются следствием
высоких температур газов, действия вибрационных нагрузок,
коррозии и окисления металла кислородом воздуха. Разруше-
нию компенсаторов способствуют отложения масла в них на ре-
жимах пониженных нагрузок. Последующее выгорание масла
приводит к местному перегреву металла и прогоранию компенса-
тора. Во избежание отложений масла нежелательна длительная
работа дизеля при температуре газа ниже 300°С.
Нарушение плотности газового стыка между крышкой и ци-
линдром также является характерным повреждением форсиро-
ванных СОД. Причиной такого повреждения обычно является
конструктивный недостаток охлаждения крышки, при котором
создается неравномерное температурное поле по окружности
крышки и опорного бурта втулки. При исходном равномерном
затягивании крышечных шпилек (с помощью гидравлического
45
инструмента или термопатронов) в рабочем состоянии не обес-
печивается одинаковая нагрузка на шпильки и создаваемые ими
давления распределяются неравномерно по окружности стыка.
Местные деформации усиливаются в случае переменных режи-
мов работы, что при высоком давлении сгорания приводит к мест-
ной микростыковке и прорыву газов. Иногда этот процесс сопро-
вождается обрывом отдельных шпилек, что, естественно, ведет к
усилению прорыва газов. Прорыв газов вызывает местный нагрев
металла, а при длительной работе (несколько суток) — появление
поверхностных микротрещин. Для их устранения требуются про-
точка и последующая притирка посадочных поверхностей крыш-
ки, втулки. При возникновении прорыва газа под крышку ци-
линдра во избежание дальнейших разрушений следует остано-
вить двигатель и заменить уплотнительную прокладку или прите-
реть посадочные поверхности. Если двигатель остановить нельзя,
то локализация прорыва газа может быть достигнута снижением
нагрузки цилиндра или общей нагрузки дизеля.
Важным фактором эксплуатационной надежности главного дизе-
ля является обеспечение нормального функционирования обслужи-
вающих систем. Так, в системе топливоподготовки факторами на-
дежности являются очистка, подогрев и обеспечение требуемой вяз-
кости топлива. Нарушение этих процессов и отклонение параметров
подогрева от нормы могут вызвать остановку дизеля по причине за-
клинивания плунжерных пар ТНВД и форсунок, а при повышенной
вязкости и давлении впрыска опасные последствия могут быть из-за
растрескивания трубок высокого давления и попадания топлива на
горячие поверхности выпускного тракта. В этом отношении не
меньшую опасность представляют трубопроводы подвода топлива к
ТНВД. Появление трещин и неплотностей из-за вибраций или ме-
ханических повреждений ведут к фонтанированию больших масс
топлива и пожару в случае его попадания на высокотемпературные
поверхности выпускного тракта (фланцы, места нарушения изоля-
ции и т. п.). Наконец, элементарное несоблюдение правил перехода
с тяжелого топлива на дизельное при резкой смене температур не-
пременно вызывает заклинивание плунжерных пар, особенно опас-
ное при маневрировании судна.
В циркуляционной смазочной системе критические условия
возможны при остановке масляного насоса или срыве подачи
масла из-за попадания воздуха в систему (оголение приемных се-
ток забора масла из циркуляционной цистерны при сильной
бортовой качке и углах крена 26—27°, вследствие внезапной по-
тери масла, например, из-за появления трещины). Фиксирова-
ние уровня масла каждый час и реагирование на предупреди-
тельные сигналы о недостаточном его уровне в циркуляционной
цистерне являются обязательными при несении вахты.
46
Следует помнить о том, что при падении давления масла
вследствие названных причин автоматический пуск резервного
насоса не предотвращает срабатывание защиты и остановку ди-
зеля в самый неподходящий момент, когда потеря управляемо-
сти опасна развитием аварийной ситуации (смещение груза, по-
садка на мель и т. п.). Периодическое удаление воздуха через
воздушные краны на маслоохладителях, фильтрах, насосах явля-
ется обязательным, особенно при резких колебаниях давления
масла. Аналогичные последствия могут быть и при нарушении
нормальной работы системы охлаждения. Здесь срывы подачи
насоса возможны из-за проникновения газов в воду, например,
через неплотности в соединениях или трещины в элементах
ЦПГ. Колебания давления воды, повышение уровня в расшири-
тельной цистерне и выход газа через газоотводные трубы — яв-
ные признаки попадания газа в систему. Опасны и утечки воды
из системы охлаждения через сальники насосов, неплотности
фланцевых соединений труб. Срабатывание сигнала по нижнему
уровню воды в расширительной цистерне свидетельствует о на-
личии утечек и необходимости принятия мер по их устранению.
Эксплуатационная надежность дизеля также зависит от со-
стояния и работы системы охлаждения поршней. Шарнирные тру-
бы подвода масла к крейцкопфу и поршню или телескопические
трубы подвода воды на охлаждение поршня подвержены значи-
тельным гидродинамическим давлениям.
Для большинства систем при частоте вращения вала двигателя
более 70% номинальной в подвижных каналах или в полости го-
ловки поршня под воздействием инерционного напора, вызывае-
мого ускорением поршня, создаются условия для разрыва пото-
ка. При перемене направления ускорения поршня возникает
гидравлический удар, сопровождающийся резким повышением
давления до 1,5—1,8 МПа в подводящих трубах и до 0,15 МПа в
отводящих. Возникающая при этом вибрация труб расстраивает
работу уплотнений, вызывает появление трещин в трубах и нару-
шение подвода охлаждающей жидкости к поршню.
По способу смягчения гидравлического удара телескопиче-
ские устройства могут быть разделены на две группы, которые в
одинаковой степени применимы для подвода и воды, и масла.
В первой группе (рис. 1.19, а, б) часть пространства входного
телескопа используется в качестве воздушного колпака и охлаж-
дающая жидкость подводится сбоку. Для нормальной работы
требуется непрерывно пополнять колпак воздухом из атмосферы
через невозвратный клапан или из магистрали низкого давления.
Телескопические устройства с воздушными колпаками от-
личаются простотой конструкции и обеспечивает плавное изме-
нение давления жидкости (ртах'< 0,3 МПа), но наличие воздуш-
47
t Пасло до да наело вода
V* * * . — У
Рис. 1.19. Телескопические устройства системы охлаждения поршня дизелей
Гетаверкен (д), МАН (6), Бурмейстер и Вайн (в), Зульцер (г):
7 — подвод масла или воды; 2 — воздушный колпак; 3 — уплотнения; 4 — подвод воздуха;
5, 7— соответственно подвижная и неподвижная трубы телескопа; 6 — отвод протечек;
8 — вентиляционная труба
ных колпаков создает определенные трудности при отводе тепло-
ты от поршня и при обслуживании системы. Это объясняется
тем, что вместе с охлаждающей жидкостью из воздушных колпа-
ков в головку поршня непрерывно поступает и некоторое ко-
личество воздуха. При неблагоприятной конфигурации полости
охлаждения в головке поршня могут образоваться воздушные
мешки и возможен местный перегрев стенок. Так как для нор-
мальной работы требуется непрерывное пополнение воздушных
колпаков, то при обслуживании телескопических устройств не-
обходимо вести наблюдение за работой невозвратных клапанов
или воздушной системы низкого давления. Поступление воздуха
48
должно быть минимальным, но достаточным для сохранения
воздушной подушки. Положение клапанов может быть отрегулиро-
вано на слух или по показаниям поршневого индикатора, установ-
ленного на входном телескопе или на магистрали подвода охлаж-
дающей жидкости. Маховики клапанов должны быть застопорены.
Произвольное закрытие или засорение клапанов ведет к ликвида-
ции воздушной подушки и резкому повышению максимального
давления до 2 МПа вследствие гидравлического удара в самом теле-
скопе.
При подводе охлаждающей жидкости непосредственно в теле-
скопическую пару (вторая группа телескопических устройств)
сверху или снизу через неподвижную трубу (рис. 1.19, в, г) необ-
ходимость в воздушных клапанах отпадает и вместе с тем устра-
няется возможность поступления воздуха в головку поршня. При
масляном охлаждении (см. рис. 1.19, в) телескопическое устрой-
ство работает хотя и с большим, чем в первой группе, но вполне
умеренным повышением давления (ртах = 0,6 -г- 0,7 МПа). Про-
текающее через уплотнение масло отводится в картер двигателя.
При водяном охлаждении (см. рис. 1.19, г) протекающая в зазор
между трубами вода собирается в кожухе входного телескопа и
по дренажной трубе отводится в сточную цистерну через кон-
трольную воронку, расположенную вне картера. По интенсивно-
сти слива воды в воронку судят о зазоре в трубах, их взаимной
центровке и состоянии. Пространства кожухов телескопов сооб-
щаются с атмосферой открытыми вентиляционными трубами.
Опыт показывает, что в системах, изображенных на рис. 1.19, б, г,
возникают определенные трудности по предотвращению попада-
ния масла в охлаждающую воду. При неудовлетворительной ра-
боте сальников со стороны картера или подпоршневой полости,
а также при наличии рисок и царапин на поверхности труб мас-
ло не снимается с них полностью и при соприкосновении труб с
водой заносится в систему охлаждения. В процессе работы необхо-
димо вести тщательное наблюдение за состоянием воды, охлаж-
дающей поршни. Наличие на поверхности воды в расширительной
цистерне масляной пленки, отличной по цвету от пленки антикорро-
зионного масла, указывает на неудовлетворительную работу уплотне-
ний. Дренажные трубы уплотнений подлежат продуванию сжатым
воздухом и полной очистке от отложений не реже одного раза в год.
При замене труб и подтягивании уплотнительных сальников
необходимо строго соблюдать требования заводской инструк-
ции. При подводе масла к поршню по шарнирным трубам усло-
вия для разрыва сплошности потока и возникновения гидрав-
лического удара создаются в отводящих подвижных каналах сис-
темы. Для уменьшения разрыва сплошности, смягчения гидрав-
лического удара и устранения поломки отводящих шарнирных
49
труб применяют два противоположных способа регулирования
системы: дросселирование сечений отводящих каналов и свобод-
ный слив части или всего масла при выходе из крейцкопфа не-
посредственно в картер или в разрезную маслосборную трубу.
Дросселирование отливных каналов может быть периодическим
и постоянным.
Периодическое дросселирование создается движением труб, когда ка-
налы для прохода масла в отводящих шарнирах частично перекры-
ваются на участке движения поршня с отрицательным ускорением (в
районе НМТ). Это эффективное средство предотвращения разрыва
сплошности потока масла и смягчения гидравлического удара.
Постоянное дросселирование осуществляется прикрытием от-
ливных клапанов на отводящих контрольных патрубках. Умень-
шение разрыва сплошности потока и гидравлического удара в
отводящих каналах при этом достигается вследствие повышения
давления масла. Дросселирование должно производиться при-
крытием отливных клапанов всех цилиндров на одинаковое
сечение, что в эксплуатации не всегда может быть выдержано.
Если учесть, что от степени дросселирования зависит количество
масла, прокачиваемого через поршни, то при таком способе ре-
гулирования возможны неравномерное распределение масла и
перегрев поршней отдельных цилиндров.
Более эффективным средством борьбы с поломкой отводящих
шарнирных труб является свободный слив масла. Так, организация
слива части масла из крейцкопфа в картер через разгрузочное отвер-
стие (d = 12 мм) в пробке шарнира позволила на двигателях МАН
KZ78/140 полностью отказаться от дросселирования отливных клапа-
нов, увеличить количество масла, прокачиваемого через поршни, без
повышения нагрузки на привод насоса, устранить поломку отводящих
шарнирных труб, снизить температуру поршня на 10°С.
От функционирования системы пускового и управляющего воз-
духа в прямой зависимости находятся пусковые режимы главного
и вспомогательных дизелей. Для дизелей с прямой передачей
мощности на гребной винт с пускового режима начинается вы-
полнение заданного хода судна. Довольно часты случаи, когда
из-за больших расходов пускового воздуха при длительных швар-
товках или из-за плохого состояния главных компрессоров, не-
качественного регулирования пусковых характеристик системы
ДАУ давление воздуха в пусковых баллонах падает до минималь-
ного (0,5—0,7 МПа) и задаваемый ход судна своевременно не
может быть обеспечен.
Как известно, подача главного и резервного компрессоров, а
также вместимость пусковых баллонов регламентируются Мор-
ским Регистром судоходства: заполнение воздухом от давления
0,5 МПа до рабочего (2,5—3,0 МПа) в течение 1 ч баллонов,
50
обеспечивающих 12 пусков каждого реверсивного дизеля и 6
пусков нереверсивного. Другие требования касаются устройств
очистки воздуха от капельной влаги и масла. Влага и масло, по-
падающие из смазочной системы цилиндров компрессора, отде-
ляются во влагомаслоотделителе на выходе из компрессора, до-
полнительно предусматривается продувка баллонов через краны
продувания. Удаление воды необходимо для предотвращения
гидравлических ударов в воздухопроводах и коррозии клапанов,
золотников, вызывающей отказ системы управления.
Наличие масла в системе опасно из-за образования паров масла и
возможного их взрыва в процессе пуска. Имеющиеся в пусковой сис-
теме предохранительные клапаны при взрыве не в состоянии предот-
вратить разрушение воздухопроводов и повреждение клапанов. Одним
из средств повышения надежности СДУ является резервирование ме-
ханизмов и устройств, которое широко применяется в системах, об-
служивающих главные дизели. Для обеспечения длительных эксплуа-
тационных режимов, часто протекающих в различных климатических
зонах, как правило, резервируются охлаждающие и смазочные насо-
сы, водо- и маслоохладители, фильтры, сепараторы топлива и масла.
В системах сжатого воздуха резервируются компрессоры, баллоны
пускового воздуха, предусматривается также управление главными ди-
зелями посредством ДАУ с мостика, дизельными установками из
ЦПУ, с местного поста на дизеле.
1.4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ МАНЕВРЕННЫХ КАЧЕСТВ СЭУ
С эксплуатационной надежностью непосредственно связаны тре-
бования к СЭУ в отношении безопасности выполнения швартовных
операций, плавания в узкостях, во льдах, проливах с интенсивным
движением. Иначе говоря, энергоустановка должна отвечать не толь-
ко требованиям надежности, но и обладать определенными качества-
ми, отвечающими динамике маневрирования судна.
Маневренные качества характеризуются следующими показателя-
ми и свойствами СЭУ:
возможностью производить быстрое и достаточное число пусков
и реверсирований главных дизелей;
способностью обеспечить требуемую мощность для безопасного и
длительного движения судна задним ходом;
допущением кратковременной перегрузки и запасом мощности
для выполнения маневра в тяжелых и экстремальных условиях (при
работе в льдах, при снятии с мели);
устойчивостью работы при минимальной частоте вращения греб-
ного винта и скорости судна 3,5—4,5 уз, отвечающей условиям безо-
пасных швартовки и маневрирования при прохождении кана-
лов, узкостей, сложных фарватеров.
51
Названные качества регламентируются Морским Регистром су-
доходства и проверяются при ходовых сдаточных испытаниях.
Сложнее обстоит дело с их практическим обеспечением вследствие
условий эксплуатации, состояния главных дизелей, систем пусково-
го воздуха и управления. Рассмотрим эти вопросы подробнее.
Пуски и реверсирования главных дизелей — наиболее частые и
ответственные операции при швартовке судна. В установках с
прямой передачей мощности на ВФШ ответственность момента
состоит в том, что с пуском и реверсированием непосредствен-
но связан ход судна. Отказы при пуске и реверсировании — это
невыполнение условий безопасности маневрирования. Отсюда и
жесткие требования Регистра к двигателям, системам управления
пускового воздуха в отношении обеспечения числа пусков, запа-
са пускового воздуха и подачи главных компрессоров (см. п. 1.3).
Собственно время пуска подготовленного к работе главного ди-
зеля на воздухе и перехода на работу на топливе не превышает
10—15 с, а при реверсировании (перевод органов управления на
обратный ход и последующий пуск) возрастает до 30 с.
Управление современными дизелями осуществляется с мости-
ка с помощью ДАУ или непосредственно из ЦПУ. Сложности с
пуском могут возникать со стороны как настройки системы
ДАУ, так и самого двигателя. Дело в том, что жесткая настройка
ДАУ по параметрам пуска (длительность работы на воздухе Tmin,
минимальная частота вращения при переходе на топливо wmjn,
пусковая цикловая подача топлива) не всегда соответствует со-
стоянию дизеля и условиям работы в эксплуатации. Отказы пус-
ка из-за неудовлетворительного состояния ТНВД и форсунок,
недостаточной продувки и зарядки цилиндров, износа деталей
ЦПГ сопровождается повторными пусками и повышенными рас-
ходами воздуха. Перенастройка установки ДАУ по параметрам
Tmin И птт оправдана лишь в случае постоянно действующего
фактора, затрудняющего пуск дизеля. Например, увеличение
длительности проворачивания на воздухе и частоты вращения
nmin требуется для интенсификации разгона турбокомпрессора и
создания минимального давления воздуха в ресивере к моменту
перехода на топливо. Естественно, что такая настройка связана с
повышенным расходом воздуха. В этих условиях при длительной
швартовке судна может возникнуть ситуация, когда компрессоры
не справляются с подкачкой воздуха и пуски не могут быть про-
изведены из-за снижения давления в баллонах до минимального
(0,5—0,7 МПа). Аналогичные затруднения возникают, когда пуск
дизеля не состоялся с первой попытки и по системе ДАУ автома-
тически следуют вторая и третья попытки (при увеличенной пус-
ковой подаче топлива).
52
Не менее ответственна операция реверсирования двигателя.
В установках с ВФШ изменение направления вращения гребного
винта является единственным средством торможения судна и
движения задним ходом. Однако условия реверсирования суще-
ственно зависят от начальной скорости судна. При выполнении
швартовных операций и малой скорости реверсирование дизеля
обычно происходит при нулевой частоте вращения за 15—30 с и
не вызывает затруднений. Экстренное же реверсирование на сред-
нем и особенно полном ходу (при плавании в тумане, зонах ин-
тенсивного движения, когда торможение судна является единст-
венным безопасным маневром) сопряжено со значительными ди-
намическими нагрузками на пропульсивный комплекс, а время
реверсирования (от момента подачи команды до начала вращения
винта в противоположном направлении) составляет 2—6 мин, в
зависимости от начальной скорости и водоизмещения. К момен-
ту вращения гребного винта на задний ход выбег судна может
составлять 3—6 длин корпуса.
Трудности реверсирования на ходу обусловлены инерцией
судна и необходимостью при остановке дизеля преодолеть отри-
цательный момент гребного винта, составляющий 0,5—0,7 мо-
мента полного хода (рис. 1.20). Характеристика винта Мв(пв)
при торможении (кривая 2) типична для переходного процесса
и отличается от стационарной зависимости (кривая 7) забросом
параметра Л/в в отрицательной области, где гребной винт работа-
ет в набегающем потоке в режиме гидротурбины.
Типичная картина изменения параметров при экстренном ре-
версировании (тахограмма реверса) приведена на рис. 1.21, а. От
начала момента т = 0 до момента снижения частоты вращения
винта и двигателя до реверсивного уровня /г ~ (0,35 0,40)пном в
точке а имеем этап I пассивного уровня системы, где произво-
дится перестановка органов управления дизеля в положение "На-
Рис. 1.20. Изменение момента
Л/в(лв) переходного процесса при ре-
версировании гребного винта
53
зад" и в цилиндры поступает воздух, который на этапе II, дейст-
вуя как контрвоздух торможения, останавливает двигатель, а за-
тем на этапе III осуществляет его пуск в направлении ход "На-
зад”. Активное торможение судна при вращении винта на задний
ход происходит на этапе III и в точке b судно останавливается.
Несколько иначе протекает процесс реверсирования в про-
пульсивной установке с разобщительной жесткой муфтой при
работе на ВФШ (рис. 1.21, б). Напряженным моментом здесь яв-
ляется этап III — подключение муфты к предварительно сревер-
сированному двигателю на этапе II без нагрузки при отключен-
ной муфте. Опасность возникает в связи с проскальзыванием и
возможным перегревом дисков при динамическом нагружении
муфты моментом на участке торможения винта и работе на зад-
ний ход (заштрихованные области).
Наконец, наиболее благоприятные условия при перемене хода
имеем в установках с ВРШ (рис. 1.22). Здесь не требуется ожида-
ние снижения частоты вращения винта до реверсивного уровня.
Применение ВРШ при экстренном торможении с полного хода
"Вперед" на полный "Назад" дает сокращение выбега судна в
1,5—2 раза. Переходный процесс в двигателе при перекладке ло-
пастей с хода "Вперед" на ход "Назад" протекает без превыше-
ния момента и давления в цилиндрах.
Требования безопасного и длительного режима работы судна
задним ходом предусматриваются Регистром как необходимая ме-
ра безопасного маневрирования при швартовках, работе во
льдах, при снятии с мели. Длительный задний ход может потре-
боваться, когда утрачена возможность движения судна передним
ходом (например, из-за повреждений в носовой части, заклини-
вании лопастей ВРШ в положении заднего хода). Это требование
определяется мощностью заднего хода и длительностью работы
Рис. 1.21. Тахограммы экстренного реверсирования в установках с ВФШ:
лм — частота вращения муфты; v — скорость судна
54
Рис. 1.22. Изменение па-
раметров дизеля 6RD76
теплохода "Новомирго-
род" при перекладке ло-
пастей ВРШ с полного
хода "Вперед" на полный
"Назад"
гоо
Мкр,
кН’П
600
т
на задний ход. Так, для дизельных установок должна состав-
лять 80% Ne ном и длительность работы на задний ход при дву-
сторонних параллелях КШМ неограничена. Для ПТУ мощность
турбины заднего хода обычно не выше 40% и длительность рабо-
ты на задний ход 15—30 мин.
Для установок с ВРШ мощности заднего и переднего хода
при соответствующих значениях шага гребного винта одинако-
вые и время работы не ограничено.
Возможность перегрузки главных дизелей, а точнее, способ-
ность СЭУ развивать необходимый момент и мощность при по-
вышенных сопротивлениях движению судна и нагрузках со сто-
роны гребного винта имеет исключительное значение для ледо-
колов и судов ледового плавания. Эти свойства СЭУ опреде-
ляются тяговой характеристикой главных дизелей, представ-
ляющей собой зависимости момента и мощности от частоты
вращения гребного винта при неизменном положении органа
управления. Для главного судового дизеля тяговая характери-
стика адекватна его внешней скоростной характеристике при
активном ходе плунжера ha = const. В диапазоне частот враще-
ния 70—100% и ha = const зависимости Мегд(я) и Nev^n) можно
принять соответствующими постоянству момента Л/егд = const,
а изменение мощности пропорционально частоте вращения. В
действительности эти значения не могут быть реализованы,
так как во избежание повышенных тепловых и механических
нагрузок на режимах п < пном вводятся ограничения подачи то-
плива ha доп < ha ном (рис. 1.23). Длительные режимы допус-
каются только в области, ограниченной сверху линиями 1—1.
Режимы за пределами рабочей ограничительной характеристи-
ки (в зоне А) допускаются в течение 1 ч и могут быть повторе-
55
Рис. 1.23. Тяговые и ограничительные
характеристики судовых дизелей:
1,2 — рабочее и предельное ограничения; 3,
4 — характеристики швартовная и винтовая
теоретическая
ны через 12 ч нормальной работы. При работе во льдах эти усло-
вия не всегда могут быть выдержаны.
Наилучшими тяговыми характеристиками обладают гребные
двигатели установок с электрической передачей, имеющие ис-
ключительное применение на ледоколах, а иногда и на судах
ледового плавания. Как следует из рис. 1.24, свойства гребных
электродвигателей таковы, что в условиях повышенного сопро-
тивления и уменьшения частоты вращения гребного винта до
40% при постоянном положении рукоятки потенциометра мо-
мент Л/в и мощность 7УВ, подводимые к винту, изменяются в
соответствии с идеальной тяговой характеристикой: мощность
сохраняется постоянной 7VB — const, а момент с уменьшением
частоты вращения винта возрастает по закону гиперболы
Л/в^в = const. Из рис. 1.24 следует, что гребные электродвигате-
Рис. 1.24. Тяговые характе-
ристики гребного электро-
двигателя постоянного тока
ледокола "Киев":
1, 2 — характеристики винтовая
свободного хода и швартовная
56
ли ледокола "Киев" при снижении частоты вращения гребного
винта до 40% (например, вследствие большого сопротивления
вращению винта во льдах) способны автоматически без воздей-
ствия на органы управления развивать момент, в 2,6 раза превы-
шающий номинальный.
Для энергетических установок судов ледового плавания с ме-
ханической передачей мощности на винт обеспечение требуе-
мой мощности при работе во льдах частично решается завыше-
нием установочной мощности главных дизелей. Использование
запаса мощности без перегрузки дизелей, работающих на ВРШ,
достигается простым переключением программ задания ha(ri) ре-
гулятора нагрузки системы управления ВРШ. Однако эта опера-
ция, выполняемая в ЦПУ по команде с мостика, не всегда может
быть своевременна. Поэтому на участках тяжелой ледопроходи-
мости потенциометр программного ограничения нагрузки уста-
навливается в позицию 100% мощности или даже 10% перегруз-
ки по мощности.
Требование к СЭУ в отношение устойчивой работы на режи-
мах самого малого хода судна (со скоростью 3,5—4,5 уз) диктуют-
ся условиями прохода каналов, шлюзов, а также поддержанием
минимальной безопасной скорости маневрирования в узкостях,
сложных фарватерах. Учитывая эти обстоятельства, требования-
ми Регистра предусматривается обеспечение устойчивой работы
главных дизелей при частоте вращения не более 30%. В соответ-
ствии с закономерностями винтовой характеристики мощность
дизеля при п = 0,3лном составляет 2,7% 7VeHOM, а подача топлива
около 10%. В установках с передачей мощности на ВФШ эти
требования удовлетворяются при «min = 0,23 -г- 0,27. В отдель-
ных случаях (при плохом состоянии топливной аппаратуры, не-
достаточном воздухоснабжении для продувки и зарядки цилинд-
ров, износе ЦПГ) могут возникать проблемы обеспечения требуе-
мого уровня скорости и частоты вращения на режимах самого ма-
лого хода. Особенно эти проблемы характерны для двухтактных
дизелей Бурмейстер и Вайн с газотурбинным наддувом при им-
пульсном подводе газов к турбине, когда /?min = (0,40 -г- 0,45)ином,
а минимальная скорость судна достигает 8—9 уз. Естественно, в
этих условиях маневрирование сопряжено с большим числом
пусков и использованием движения судна по инерции на безопас-
ном скоростном уровне. При п < 40% энергия выпускных газов и
мощность турбин агрегатов наддува недостаточна для создания не-
обходимого давления продувочного воздуха (0,7—1 кПа). Продув-
ка протекает неустойчиво, следствием чего являются неполное
сгорание топлива, сильное дымление, самовыключение цилинд-
ров и остановка дизеля.
57
Для устранения этого недостатка современные дизели МАН —
Бурмейстер и Вайн, Зульцер с изобарным наддувом оборудованы
электропроводными воздуходувками, обеспечивающими воздухо-
снабжение дизелей при пуске и режимах малого хода. По усло-
виям обеспечения надежного пуска предусматривается установ-
ка двух воздуходувок. При отказе одной из них еще гарантируют-
ся пуск и работа двигателя на. режимах малого хода. При выходе
из строя обеих воздуходувок возможен лишь аварийный пуск из
ЦАУ с раскруткой турбокомпрессоров пусковым воздухом повы-
шенного давления и последующим увеличением частоты враще-
ния до устойчивого уровня.
В установках с ВРШ рассмотренные проблемы обеспечения
пуска, реверсирования и режимов малого хода снимаются. Плав-
ное разворачивание лопастей от положения полного хода "Впе-
ред" до полного хода "Назад" отвечает требованиям динамики
движения судна в широком спектре маневренных режимов.
Глава 2
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕМЕНТОВ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ
ПРОПУЛЬСИВНОГО КОМПЛЕКСА
2.1. ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ И УРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ
СИСТЕМЫ ГЛАВНЫЙ ДИЗЕЛЬ—ВАЛОПРОВОД—ВИНТ—КОРПУС
Основные соотношения. В эксплуатации энергетической уста-
новки и судна пропульсивному комплексу уделяется наиболь-
шее внимание. Входящие в него элементы (главные дизели, глав-
ные передачи, винт, корпус судна) находятся в постоянном взаи-
модействии. Именно на гребных винтах механическая энергия
преобразуется в пропульсию — движение судна, чем и обеспечи-
ваются его ходовые, маневренные режимы и безопасность море-
плавания. Для понимания этих связей прежде всего обратимся к
параметрам, вытекающим из рассмотрения движения судна с за-
данной скоростью v (рис. 2.1).
В оценке работы винта за корпусом характерным показате-
лем является осевая скорость винта относительно воды или, в
обращенном движении, скорость va. Так как при движении судна
в кормовой его части вследствие взаимодействия воды с подвиж-
ной обшивкой корпуса образуется попутный поток со скоро-
стью vn, то va < v. Следовательно, винт работает в попутном по-
токе и осевая скорость воды в диске винта определяется разно-
Рис. 2.1. Схема силового и энергетического воздействий на корпус судна
59
стью va = v — vn. Влияние попутного потока на работу пропуль-
сивного комплекса выражается в снижении поступи, увеличе-
нии упора винта и учитывается коэффициентом попутного по-
тока
V = О' “ vfl)/v,
откуда отношение скоростей va/v = 1 —
Попутный поток порождается движением судна, скоростью во-
ды в слое трения с наружной обшивкой, поперечным волнообра-
зованием и, следовательно, скорость vn и коэффициент у зависят
от режима работы, состояния и обводов корпуса, расположения
гребных винтов. Для водоизмещающих судов у — 0,2 -н 0,45 и воз-
растает при обрастании корпуса, увеличении коэффициента пол-
ноты и уменьшается для бортовых гребных винтов.
Второй характерный показатель работы винта за корпусом оп-
ределяется силовым воздействием винта на корпус. Оно выража-
ется не только в создании силы упора Р, но и в дополнительном
сопротивлении движению судна вследствие возникновения си-
лы засасывания F на наружной обшивке кормовой части корпу-
са. Сила F направлена против движения и суммируется с букси-
ровочным сопротивлением R. При установившемся движении
полное сопротивление R + F уравновешивается силой упора
Р = R + F, а сила засасывания F = Р ~ R. Следовательно, на пре-
одоление буксировочного сопротивления R затрачивается часть
силы упора винта, называемая полезной тягой Ре~ R. В оценке
пропульсивных качеств влияние засасывания учитывается коэф-
фициентом засасывания (относительной потерей силы упора)
t = F/P R)/P =(р- Pe)/Pt
откуда R/Р ~ 1 ~ /.
Отметим связь между коэффициентами у и Г. факторы, вызы-
вающие увеличение попутного потока, действуют также и на уве-
личение силы засасывания. Так, в нормальных условиях для од-
новинтовых судов t ~ 0,12 -г 0,2 и возрастает до значения 0,3 для
судов с полными обводами (крупных танкеров, балкеров).
Влияние попутного потока и засасывания на эффективность
взаимодействия винта и корпуса оценивается коэффициентом
влияния корпуса т|к, представляющим собой отношение букси-
ровочной мощности Nq = Rv к мощности упора винта Pva:
Rv _ R/P _ 1 - t
Pvn ~ v„/v 1 - v
60
На одновинтовых судах воздействие попутного потока преоблада-
ет над засасыванием % = .1,1 1,4, на двухвинтовых = 0,95 -г 1,05
(большие значения относятся к судам с полными обводами корпуса).
Рассмотрим эффективность работы собственно гребного вин-
та без учета влияния корпуса. Она характеризуется КПД винта в
свободной воде т|р, отношением мощности упора винта Pvp к
мощности на гребном валу 7VB = ЛГв2яис, где Мъ — подводимый
момент; пс — частота вращения винта, об/с):
Pv
р
МЛппс *
о С
Здесь осевая скорость винта относительно воды vp незначи-
тельно отличается от скорости va при работе винта за корпусом
из-за неравномерности поля скоростей в диске винта. В выраже-
нии коэффициента т|к влияние неравномерности потока учиты-
вается коэффициентом z = 0,95 н- 1,03, т. е. т|к = (1 — /)//(! — у).
Коэффициент полезного действия винта зависит от скорости
vp “ силы упора Р, частоты вращения ис, диаметра винта и
других геометрических параметров (шагового отношения H/D,
дискового отношения 0, числа лопастей z). В реальных условиях
на КПД винта также оказывают влияние обводы корпуса.
Обобщенная зависимость от относительной поступи
Хр ~ ул/(лс£) представлена на рис. 2.2. Характерная связь коэф-
фициента Цр с обводами корпуса выражается в его увеличении
для скоростных судов (рефрижераторов) с малыми коэффициен-
тами полноты корпуса (кривая 3), когда из-за небольшого влия-
ния попутного потока Хр и возрастают. Наоборот, для судов с
большими коэффициентами полноты (балкеров, танкеров) попутный
Рис. 2.2. Характеристики КПД винта
т1р(Х?) в свободной воде для судов раз-
личных типов
61
поток усиливается, снижается скорость va винта относительно воды,
поступь и КПД уменьшаются (кривые 7, 2). Это обстоятельство,
однако, мало отражается на эффективности работы винта за корпусом
судна, которая также зависит от коэффициента влияния корпуса и в
целом характеризуется пропульсивным коэффициентом ц — отноше-
нием буксировочной мощности к мощности, подводимой к винту:
^б Руръ
П = NBPv = Vk •
Таким образом пропульсивным коэффициентом учитываются гид-
ромеханические потери на гребном винте и при его взаимодействии с
корпусом. Следовательно, отмеченное снижение КПД винта для суд-
на с полными обводами частично компенсируется увеличением коэф-
фициента цк.
Введя в рассмотрение КПД главной передачи отношение мощно-
сти на гребном валу и эффективной мощности на фланце главного
дизеля т|пгд = ^в/Л^гд, получим выражение полного пропульсивного
коэффициента:
_ 2Уб_ _ _
Ппк ^егд NerzNbPvp
(2.1)
Величиной т|пк в дополнение к гидромеханическим потерям
учитываются механические потери в главной передаче. На основа-
нии изложенного в элементах пропульсивного комплекса имеем
следующие характерные мощности (см. рис. 2.1):
ЗШЕ
буксировочного сопротивления при движении судна с заданной
скоростью = Rv — Pev;
мощность упора винта, отдаваемую воде, Np = Pvp — Nq/t\k;
мощность, подводимую к винту, = Np/v[p;
эффективную мощность главного дизеля 7Уегд — Л^/Цпгд-
Наконец, с введением эффективного КПД главного дизеля
Легд ~ ЛеГД3600/(6гд(?нгд), выражение (2.1) может быть разверну-
то в формулу КПД пропульсивного комплекса
• 3600 ^гд • 3600
^прк ~~ G О GO N N N ~~ егдО пгд^рП к ’
гд^нгд гд^нгд егд в р
где Сгд — расход топлива на главный дизель; £)нгд — теплота сго-
рания топлива,
62
или
Л прк Л егдЛ пгдЛ •
Следовательно, в пропульсивном комплексе при преобразова-
нии подводимой энергии СГД0НГД в эффективную энергию дви-
жения судна величиной т|прк учитываются все виды потерь:
теплотехнические в главном дизеле т|егд — [1 — (дохл + ^газЖмгд’
(где дохл, 7газ — относительные потери теплоты в охлаждающую среду
и с уходящими газами; цмгд ~~ механический КПД главного дизеля);
потери мощности 8ПГД = А7Уп/ДГ,гд в главной передаче г|пгд = 1 —
иПГД5
гидромеханические 8прк = А7Упрк/7Ув;
на гребном винте при его взаимодействии с корпусом р = 1 “
$прк>
потери мощности А%д на преодоление внутренних сопротив-
лений главного дизеля, учитываемые механическим кпд
Лмгд — 1 ^мгд/^Тд-
Уравнения движения системы. На основании силового и энер-
гетического взаимодействия элементов пропульсивного комплек-
са уравнения движения валопровода и системы винт—корпус на
стационарных режимах определяются:
для вращательного движения валопровода равенством движу-
щего момента Мегд и моментов сопротивления передачи Мп и
винта Мв, т. е. Л/егд = Мп + Мв, или равенством 7Уегд = А^/Ппгд»
для прямолинейного движения судна равенством сил тяги
винта и сопротивления корпуса Ре = R или равенством буксиро-
вочной мощности и мощности сопротивления корпуса
N6 = Pev = 7?v.
С учетом КПД передачи цпгд = NB/NeT^ и пропульсивного
коэффициента т| = N$/NB уравнение движения судна преобразу-
ется к виду 7Уегд = 7? v/(t| пгдг|), откуда при подстановке
7Уегд = ^в^^с/Лпгд имеем Л/В2лис = Rv/т], а отношение скорости
судна к частоте вращения винта
V Ч.
7ГС = ~R2^-
(2.2)
Выражение (2.2) характерно тем, что на основании изменения
отношения v/nc раскрываются связи параметров взаимодействия
элементов пропульсивного комплекса. Так, на стационарных ре-
63
жимах при неизменных внешних факторах соблюдаются условия
пропорциональности скорости и частоты вращения у - пс. Сле-
довательно, при v/nc = const и ЛГв2ят|//? = const взаимодействие
винта и корпуса характеризуется постоянством пропульсивного
коэффициента т| — const и пропорциональным изменением мо-
мента Мв и сопротивления движению Мв - R. Для водоизме-
щающих судов такие изменения параметров подтверждаются
данными испытаний и, как показано далее, позволяют характе-
ристику момента винта Мв(п) представить квадратичной парабо-
лой Мв ~ и2, а характеристику потребляемой мощности NB(n) ку-
бической параболой 7VB ~ и3.
Второй важный вывод, вытекающий из анализа выражения
(2.2), состоит в tojm, _чтоjjpH т| = const имеем равенство относи-
тельных величин Мвп = R v, т. е. характеристики винта Мв(п) и
корпуса 7?(v) в относительных координатах будут одинаковыми.
Иначе говоря, на стационарных режимах соблюдается условие
автомодельности характеристик сопротивления корпуса и винта.
Это условие используется далее при моделировании эксплуата-
ционных режимов энергоустановки и судна.
В отличие от стационарных режимов в условиях неустановив-
шегося движения (например, на переходных режимах при разгоне
и торможении судна) дополнительное воздействие на сопротивле-
ние вращению винта и поступательному движению судна оказы-
вают инерционные составляющие вращающихся масс Icks/dx и по-
ступательно движущихся масс Ddv/di. Их влияние на момент Мв
и сопротивление R зависит от значения и знака углового ускоре-
ния валопровода Jw/rfr = liidnjdi и линейного ускорения судна
dv/dx.
Уравнение движения валопровода и системы винт—корпус на
переходных режимах будут иметь вид:
для валопровода с моментом инерции /, включая винт с при-
соединенной массой воды, Л/егд = Л/п + Мв + Hndnc/(h\
для судна водоизмещением D с присоединенной массой воды
Ре = R + Ddv/dx или в виде энергетического взаимодействия
винта и корпуса Ув = (R + Ddv/dr)v/r[.
Отсюда при подстановке NB = Мв2кпс для отношения скоро-
сти судна к частоте вращения винта получим
2. о
п ~ R+ Ddv/di21^
64
Здесь, в отличие от формулы (2.2), все величины, в том числе
пропульсивный коэффициент т|, являются переменными и зави-
сят от времени и качества переходного процесса. Вследствие та-
кого взаимодействия элементов пропульсивного комплекса изме-
нение параметров существенно затрудняется. Однако качествен-
ная картина изменения отношения v/nc может быть установлена
на том основании, что для судна с дизельной энергетической ус-
тановкой инерционная составляющая линии валопровода Idai/dx
значительно меньше инерционной составляющей судна Ddv/dx.
В результате на участках ускоренного движения судна при
возрастании частоты вращения сила инерции массы судна
Ddv/dx > 0 препятствует увеличению скорости и отношение у/ис
уменьшается. На участках замедленного движения, наоборот,
инерция движущей массы судна Ddv/dx < 0 способствует поддер-
жанию скорости при быстром снижении частоты вращения и от-
ношение v/nc увеличивается. Наиболее характерно эти явления
прослеживаются на переходных режимах, при разгоне и останов-
ке судна, реверсировании гребного винта и работе на волнении и
связаны с большими изменениями поступи Хр и КПД винта цр.
2.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРЕБНОГО ВИНТА. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВИНТА
И ГЛАВНЫХ ДИЗЕЛЕЙ
Геометрические и гидродинамические характеристики гребного
винта. В оценке эффективности пропульсивных качеств опреде-
ляющее значение имеет КПД гребного винта. Известна зависи-
мость Г|р от геометрических и гидродинамических параметров.
Максимальное его значение связывается с возможностью уста-
новки на судне гребного винта наибольшего диаметра D. Одна-
ко реальные условия выбора диаметра винта зависят от обводов
кормовой части корпуса и типа судна. Для балкеров и танкеров
характерны частые балластные пробеги с минимальной осадкой,
что лимитируется выбором диаметра винта и конструктивной осад-
ки Т из условия D/Т < 0,65; для контейнерных судов это отноше-
ние составляет 0,74. С увеличением диаметра частота вращения
винта уменьшается и пропульсивный коэффициент возрастает
приблизительно в пропорции 1/4—1/5 значения снижения Ди.
Дисковое отношение 0 — отношение суммарной спрямленной
площади всех лопастей гребного винта к площади диска винта —
фактор, связанный с нагрузкой и числом лопастей. Обычно для
четырехлопастного судового винта наименьшее сопротивление
достигается при 0 = 0,55, но для судна с тяжелонагруженными
5—6-лопастными винтами 0 = 0,8.
3 Зак. 1596
65
н
Рис. 2.3. Скольжение 5 и поступь гребного винта
В шаговом отношении H/D геометрическому шагу Н (рис. 2.3)
соответствует путь, проходимый винтом за один оборот без сколь-
жения. Так как обычно шаг изменяется по радиусу лопасти, то
принимается шаг на расстоянии 0,7 радиуса. Отношение Н/D вы-
бирается из конструктивных соображений в зависимости от часто-
ты вращения и диаметра винта в пределах 0,8 < H/D < 1,2.
К числу гидродинамических параметров относятся скольже-
ние и поступь винта. Они связывают геометрические параметры
со скоростью ур и частотой вращения лс винта. В реальных усло-
виях скольжение винта относительно воды является характерным
условием создания упора винта: без скольжения нет и упора.
Скольжение — безразмерная величина, определяемая отношени-
ем скорости скольжения у5 = (Нпс — ур) к осевой скорости винта
в "твердой среде" (см. рис. 2.3):
Нпс- VP _ , vp = 1 v(l-Y)
Hnr ~ l~Hnr Нп
и U w
(2.3)
Очевидно, скорость скольжения yv = SHnc и скорость ур в
сумме соответствует геометрической скорости Нпс.
В судовой практике нагружение гребного винта в различных
условиях плавания оценивается разностью осевой скорости на
геометрическом шаге Нпс и скорости судна у, т. е. у51 = Нпс — у
и кажущееся скольжение = (Нпс — у)/(Яис) = 1 — v/(Hn^. По-
скольку в этом случае не учитывается скорость попутного пото-
ка, то у51 < у5 и < S.
В формуле (2.3) отношение ур/лс — поступь винта Лр, т. е.
путь, проходимый винтом за один оборот.
66
Рис. 2.4. Кривые действия гребного винта:
а — ////)-idem; б — Я/D-varia
б)
Поступь и скольжение связаны соотношением йр = Я(1 — 5)
или в безразмерной форме в зависимости от отношения H/D
Хр - р - £<1-5) - vp/(Dnc).
Относительная поступь Хр — характерный параметр, связы-
вающий упор и момент сопротивления винта с коэффициента-
ми упора К{ и момента винта К2 кривыми действия винта. Для
геометрически подобных винтов фиксированного и регулируемо-
го шага кривые действия приведены на рис. 2.4. Соответст-
вующие зависимости для упора, момента, мощности и КПД вин-
та выражаются формулами
Р= К}рп2Сб; Мв = К2рп2&; NB = Л/В2лис = К2рп3с
Пр = Л'р/(Л42’1Лс) = V<^22ic)-
По кривым действия также судят о работе винта на различных
режимах. Расчетным (номинальным) условиям соответствует Хр в
точке Ь, когда КПД винта r)p max.
В точке а имеем швартовный режим, когда
5 = 100% (Хр = 0), коэффициенты К\ и Ki достигают максималь-
ных значений, а КПД винта цр — 0.
В точке с винт работает с нулевым скольжением, коэффици-
ент Л4 и сила упора Р равны нулю (без скольжения нет и упора),
а поступь Хр = H/D равна шагу нулевого упора, или гидродина-
мическому шагу. Подводимый момент расходуется на преодоле-
ние профильного сопротивления лопастей.
А* 67
В точке d скольжение и коэффициент К\ отрицательные, коэффи-
циент Ki и момент Мв равны нулю. Начиная с точки d, винт работает
в набегающем потоке в режиме гидротурбины и создает отрицатель-
ный упор. На участке cd винт "парализован", т. е. не является ни дви-
жителем, ни турбиной.
Действие винта в широком диапазоне изменения величин Ар и 5
проявляется на судне при больших воздействиях на сопротивление
движению судна (работе во льдах, разгоне, торможении).
В неизменных условиях плавания (например, при испытаниях на
мерной миле, у водоизмещающих судов) наблюдается пропорцио-
нальное изменение скорости v и частоты вращения л, что при посто-
янстве коэффициента попутного потока \|/ = 1 — vp/v приводит и к
малым отклонениям поступи и скольжения. Тогда, согласно кривым
действия винта, при Ар — const имеем постоянство коэффициентов
и КПД винта т|р и в формулах упора, момента и мощности можно
вьщелить постоянные с" = А^рТ/бО-2; с' = ^р/^бО-2;
с = ^Р^лбО-3.
Следовательно, энергетические показатели работы гребного винта
можно представить параболическими зависимостями от частоты вра-
щения: упор Р= с"п2, момент Мв — сп2, мощность = сп\
Учитывая, что гребной винт является промежуточным элементом
пропульсивного комплекса, передающим энергию главного дизеля
корпусу судна, зависимости MB(ri), NB(ri) могут быть трансформиро-
ваны в винтовые характеристики главного дизеля:
^пгд
-1L 2
^пгд
N
егд
^пгд
----П
^пгд
^/егд
п
2
где = с'//т|пгд, сп ~ с/пПГд — новые постоянные; при т|пгд = const и переда-
точном отношении редуктора главной передачи / — njn ~ const.
Связь гребного винта с корпусом через буксировочную мощность
и пропульсивный коэффициент 7VB = 7V6/t| = Av/ц с учетом пропор-
циональности сопротивления корпуса квадрату скорости R = kv^ (где
к — коэффициент пропорциональности) позволяет представить мощ-
ность А^д кубической зависимостью от скорости:
А^гд Ag/Дпгд ^^/ЛпгдП) “
где cv — Л/(ПпгдП) — новая постоянная.
68
Следовательно, мощность главного дизеля может быть выра-
жена через частоту вращения и скорость судна:
= С„«3 = C.V3,
откуда cv = c„(n/v)3.
В заключение отметим, что взаимосвязи характеристик корпу-
са 7?(v), гребного винта P(v, п), MB(v, л), NB(y, п) и двигателей
Л/егд(у, л), 7Уегд( v, л) являются паспортными характеристиками
гребного винта и судна. Паспортные диаграммы строят, пользу-
ясь кривыми действия гребного винта. Для конкретного судна
они позволяют оценивать ходовые качества, тяговые характери-
стики винта и возможности пропульсивной установки обес-
печить режимы работы судна при изменении сопротивления
движению судна. Но с точки зрения анализа эксплуатационных
режимов паспортные диаграммы не обладают свойствами обоб-
щенного описания закономерностей связей элементов пропуль-
сивного комплекса при минимальной исходной информации.
Этим требованиям отвечают обобщенные диаграммы взаимодей-
ствия корпуса, гребного винта и главного дизеля на основе_относи-
тельных значений скорости v = v/v0, частоты вращения л = л/л0,
момента М = Af/Afg, мощности "N = N/Nq с использованием от-
носительных коэффициентов упора — К^/К^ 0, момента
= ^2/^2, о» относительного значения поступи Хр — Хр/Хр0,
КПД винта Т|р = Пр/ПрО и пропульсивного коэффициента ц = т|/По-
Здесь индексом "ноль" обозначены величины, соответствующие
исходному базовому режиму полного хода судна в грузу (задан-
ному или спецификационному) при исходном состоянии корпу-
са, винта и нормированных условиях плавания (глубина под ки-
лем не менее семи осадок, волнение ветра до 3 баллов). При по-
стоянстве этих условий вследствие малого изменения поступи
Хр — 1, пропульсивного коэффициента т| = 1 и КПД передачи
Лпгд = 1 > режимным изменениям соответствуют пропорциональ-
ность скорости судна и частоты вращения винта у = л, v/n = 1,
равенство относительных значений постоянных сл1 = сп = cv = 1
и автомодельные базовые характеристики корпуса, гребного вин-
та и главного дизеля записываются в виде
= Я = = = ^Д = ^В = Я = «3 = У-
При сопротивлении корпуса, отличающегося от^исходного,
имеем режимы с новыми соотношениями скорости у и частоты
69
вращения п. Для новых значений поступи Хр Ф 1 и пропульсивно-
го коэффициента ц ф 1 автомодельные характеристики будут:
^СГД ^в/ПпГД ^б/СЛпгдЛ) СЦП
Здесь при т|Пгд = 1 постоянные сл1 — сп полностью опреде-
ляются отношением коэффициентов момента сп = К2/К2^ — Х2,
а на постоянную cv = cn(n/v)3 = £/(цПгдЛ) дополнительное влия-
ние оказывают новые относительные значения коэффициента со-
противления X = k/k$ и пропульсивного коэффициента ц = л/Ло-
Для определения относительного значения постоянной
= K2/K2fi = К2 используем кривые действия винта в относи-
тельных координатах (рис. 2.5). Из подобия треугольников АСО
и BCD линейная аппроксимация зависимости ^2(Хр) позволяет
выразить связь сл(Хр) уравнением прямой
п
иглах Смитах 1)Хр- '
(2.4)
Постоянная слтах = К2тах/К2 при Хр = О соответствует швар-
товному режиму и согласно рис. 2.6 для цэебных винтов транс-
портных судов (0 = 0,5; H/D = 0,6 -т- 1,1) cwmax =1,9 2. Отно-
сительные значения поступи Хр = Хр/Хр0 = ур/л = у/и(1 — у) в
первом приближении можно принять не зависящими от измене-
ния коэффициента попутного потока, т. е. Хр = v/n. Следователь-
но, на базовых режимах в силу пропорциональности скорости и
частоты вращения Хр = 1 и сп — 1. На режимах с повышенным
сопротивлением движению судна v < л, Хр < 1 и сп > 1, т. е. име-
ем утяжеление характеристик винтами, наоборот, в условиях по-
ниженного сопротивления при v > п, Хр > 1 и сп < 1 — облегче-
ние характеристик.
Рис. 2.5. Определение зави-
симости постоянной
Х2
сл(\>) ~ Kf г.
70
Kzl<O
dt0
to
0 OJ 0,2 ZJJ 0,5 0,6 0,1 4* 0,3 1,0 1,1 1,2 1,0 1,4 // 1,6 1,1 1,8 1,3 2,0 A p
Рис. 2.6. Кривые действия гребных винтов по коэффициенту момента в относи-
тельных координатах
При работе на швартовах Хр = 0, а сп достигает максимума
сп = ст\лг\х- Соответствующие значения постоянных находят из соот-
— — — — а — 3
ношения cv = cn(n/vy = с^/Хр .
При рассмотрении режимов факторов, вызывающих изме-
нение характеристик сопротивления движению судна, следу-
ет обращать_внимание на сравнительно малые различия в за-
висимостях сп = Л^/А^ о^р) гребных винтов в диапазоне значений
геометрических параметров 0,6 < H/D < 1,0; 0,5 < 0 < 0,6. Еще в
большей степени это положение распространяется на кривые относи-
тельного КПД винта т|р(Хр) (рис. 2.7). В области повышенных сопро-
тивлений корпуса (Хр < 1) максимальные отклонения цр от среднего
значения оцениваются в ±5%. В области же пониженных сопротивле-
ний (Хр > 1) кривые т|р(^р) для винтов с различной геометрией суще-
ственно расходятся. Таким образом, линейная аппроксимация cw(Xp) в
области эксплуатационных режимов с пониженным сопротивлением
движению ограничена значениями 1 < Хр < 1,1.
Обобщенные диаграммы взаимодействия главного дизеля, гребного
винта и корпуса. На основании кривых действия винта в относитель-
ных координатах ^(Хр) (см. рис. 2.6) или соотношения (2.4) можно
найти постоянную сп для различных значений Хр = const и постро-
ить винтовые характеристики главного дизеля по моменту Л/егд = и2 и
кривые постоянных мощностей ^егд = MeYjyn в координатах Л/егд и
п (рис. 2.8, а). Дополненная графиками ограничения нагрузки 5 глав-
ного дизеля по допускаемому моменту или среднему эффективному
71
Рис. 2.7. Характеристики относительного КПД т|р - Лр/Пв Для гребных винтов
различной формы:
/ - H/D = 0,6; 6 - 1,1; 2 - 1,0; 1,1; 3 - 1,6; 1,1; 4 - 0,6; 0,5; 5- 1,0; 0,5;
6- 1,6; 0,5
Рис. 2.8. Обобщенные диаграммы взаимодействия элементов пропульсивного
комплекса:
7 _ базовая характеристика; 2, 3 — характеристики соответственно "легкого" и
"тяжелого" винтов; 4 — характеристика швартовная; 5, 6 — ограничительные ха-
рактеристики ПО Медоп И /7Д0П
72
давлению ?егд = обобщенная диаграмма дает графическое пред-
ставление о взаимодействии гребного винта и главных дизелей при
различных сопротивлениях корпуса. В частности, для базовых усло-
вий исходного режима полного хода имеем Хр — 1 и сп = 1. Сле-
довательно, винтовые характеристики Л7егд(л, Хр) слева от харак-
теристики Хр = 1 являются ’’утяжеленными”, а справа — ’об-
легченными”. С выходом на Л/сдоп двигатель недогружается по
мощности из-за снижения частоты вращения, а с выходом на
номинальную частоту вращения п = 1, ^гд < NerJi$ — из-за сни-
жения момента Л/егд. Швартовному режиму соответствует характе-
ристика 4 Мег^ — при Хр - 0.
Однако рассматриваемые характеристики ^7егд(л, Хр) не со-
держат данных о скорости судна и, следовательно, в явном виде
не раскрывают связи характеристики нагружения дизели со ско-
ростными режимами судна. Более полную картину взаимодейст-
вия главных дизелей, гребного винта и корпуса получим введе-
нием характеристик при различных постоянных значениях ско-
рости_ Jv = 1,0; 0,9 и т. д.). Для построения зависимостей
Л/(,гд(л, v) используем кривые действия винта в относительных ко-
ординатах или непосредственно соотношение (2.4). При задан-
ных значениях постоянной скорости v = 1; 0,9; 0,8 и_при варьи-
ровании частотой вращения п находим значения Хр(и) из гипер-
болической зависимости Хрл = const и соответствующие значе-
ния постоянной £„(Хр). Тогда по уравнению "^/егд = Регд — спп2
(где сп, п — переменные) определяем характеристики нагружения
дизеля по моменту или Ре и наносим их на диаграмму в виде
кривых "Л}егл(п), ~Регд(п) при v = const (рис. 2.8, б).
Обобщенная диаграмма зависимостей ~Йетд(п, у) удобна для реше-
ния эксплуатационных задач по анализу и выбору режимов работы
энергетической установки и судна. Располагая только данными по
двум относительным параметрам (v = v/vg и п = л/лд), на диаграмме
можно_нанести точку а рабочего режима главных дизелей, определить
Л4гд, Л?гд> ^егд и соответствующие или абсолютные значения
^егд ^егд-^егдО’ ^"егд "^?гд^егдО> ^егд "^егд^егд0> также наЙТИ
постоянную ~сп = М^/п2 для конкретных условий плавания. Дви-
жение по винтовой характеристике 17еГд = с^л2 можно использо-
вать для оценки изменения скорости при изменении частоты вра-
щения в пределах ограничений по Ме доп или лдоп (линии 5, 6 на
рис. 2.8, б).
На диаграмме можно также проследить, как меняется ско-
рость судна и нагрузка дизеля, если, например, при изменении
внешних условий плавания регулятором поддерживаются режи-
мы пп = const = 0,895.
2.3. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА РАБОТУ ПРОПУЛЬСИВНОГО
КОМПЛЕКСА
К внешним факторам относятся гидрометеорологические ус-
ловия плавания, осадка, состояние корпуса и гребного винта.
Ветроволновые нагрузки на корпус судна существенно изме-
няют условия работы гребного винта. В зависимости от направле-
ния и силы ветра сопротивление движению судна возрастает, а по-
теря скорости может достигать_20% и более (рис. 2.9). Утяжеление
винтовой характеристики при Л/егд = idem (например, при перехо-
де из точки а в точку b (см. рис. 2.8, б) оценивается снижением
скорости на 15%, а частоты вращения — на 5,5%. Такое рассо-
гласование скорости и частоты вращения сопровождается умень-
шением поступи на 10% (отношение у/п =_0,765/0,85 = 0,9), а
увеличение постоянной сп, например, при слтах = 2 составляет
сп = 2 - (2 - 1)0,9 = 1,1.
В еще большей степени на работу гребного винта и главных ди-
зелей оказывает влияние волнение моря. В штормовую погоду ди-
зель работает с переменной частотой вращения вследствие измене-
ния упора и момента винта в зависимости от состояния моря, на-
правления и силы ветра, характеристик винта на различной глуби-
не погружения и работе в косом потоке, частых перекладок руля
при удержании судна на курсе. Состояние дизеля при этом харак-
Рис. 2.9. Зависимость потери скоро-
сти Ду от направления и силы F ветра
Рис. 2.10. Определение режима работы
дизеля при волнении
74
теризуется меняющимися механическими и тепловыми нагрузка-
ми, и режимы работы являются неустановившимися.
В зависимости от загрузки судна, условий плавания, типа и спо-
соба включения регулятора частота вращения и подача топлива при
волнении могут быть различными. Однако общим будут возраста-
ние среднего момента винта и, как следствие, ограничение нагрузки
дизеля. Если при этом учесть колебания давлений и температур в
цилиндрах, динамические нагрузки при изменении угловой скоро-
сти, то надежная работа дизеля обеспечивается существенным
уменьшением мощности и скорости судна (рис. 2.10). Так, для теп-
лоходов типа "Волголес" при встречном ветре и волнении 5—6 бал-
лов скорость снижается до 11—12 уз (15—16 уз на спокойной воде).
Определяя в первом приближении работу дизеля при волнении
рядом установившихся режимов, изменение показателей можно
представить закономерностями частичной характеристики (при
предельном регуляторе — кривая а) или нагрузочной (регулятор-
ной) характеристики (при всережимном регуляторе — кривая Ь).
Режимы работы по кривой а ограничиваются подачей топлива
ha2y по кривой b — частотой вращения В обоих случаях колеба-
ния частоты вращения и подачи топлива на выходят за пределы со-
ответствующего допустимого среднего эффективного давления. Из
сопоставления режимов можно было бы прийти к выводу о том, что
при ha2 без перегрузки дизеля по давлению Редоп достигаются боль-
шие значения частоты вращения, мощности и скорости. Однако на
этом режиме амплитуда и скорость изменения частоты вращения
являются по существу нерегулируемыми параметрами и полностью
определяются состоянием моря и загрузкой судна. Ускоренное дви-
жение масс дизеля и валопровода винта может сопровождаться
значительными динамическими нагрузками на дейдвудный и упор-
ный подшипники, коленчатый и распределительные валы, вибраци-
ей дизеля и корпуса вследствие повышенной неравномерности вра-
щения и колебаний крутящего и опрокидывающего моментов.
С переходом на регуляторную характеристику = const коле-
бания частоты вращения практически исключаются, но глубокие
изменения подачи топлива также могут оказаться нежелательными
из-за колебаний параметров рабочего цикла и тепловых нагрузок.
Условия работы дизеля существенно улучшаются при исполь-
зовании всережимного регулятора, настраиваемого на измене-
ние режимов по всережимно-предельной схеме, например, по
линиям 2с~2а. Амплитудные отклонения режимных параметров
в этом случае характеризуются меньшими изменениями подачи
топлива и частоты вращения.
Другие особенности обеспечения надежной работы дизеля
связаны с воздействием бортовой качки судна на перекладку
поршней в цилиндрах и на условия смазывания.
75
Статистика аварий по задирам поршней свидетельствует о
том, что повышенное их число (например, на дизелях Зульцер
типов RD и RND) приходится на штормовые условия. Наблюде-
ние за температурой поршней показывает, что перекладка порш-
ней под действием бортовой качки сопровождается нагревом
тронков со стороны выпуска газов. Предотвращение развития за-
дира требует увеличения подачи масла на смазывание цилиндров
и усиленного контроля за тепловым состоянием. Внимание
должно быть уделено и работе циркуляционной системы смазы-
вания. Во избежание срыва подачи масла и автоматической оста-
новки дизеля в штормовых условиях необходимо поддерживать
уровень масла в циркуляционном танке на верхней отметке.
Нельзя не отметить и возможные случаи остановки дизелей в
многомашинных установках с ВРШ и валогенераторами, когда
вследствие повышенных колебаний частоты вращения при вол-
нении срабатывание защиты валогенератора по частоте тока при-
водит к его отключению и полному обесточиванию установки.
Отсюда по соображениям безопасности мореплавания в условиях
волнения использование валогенераторов ограничено и электро-
питание обеспечивается автономными дизель-генераторами.
Фактором, вызывающим повышенное увеличение сопротив-
ления движению, является также движение судна на мелководье.
Рис. 2.11. Влияние мелководья на характеристики судна
76
При глубине под килем менее семи осадок начинает сказывать-
ся возрастание волнового сопротивления и сопротивления тре-
ния вследствие повышенной скорости обтекания корпуса. Ко-
личественное влияние мелководья на скорость v, мощность #егд
и дифферент А судна показано на рис. 2.11.
Эффект мелководья наиболее сильно проявляется при глуби-
не под килем до 20 м, а с увеличением глубины до 60 м полно-
стью исчезает. В течение 1 ч скорость судна возрастает с 24 до 27
уз сначала почти при постоянной мощности, а затем сопротивле-
ние и мощность резко снижаются.
Работа пропульсивного комплекса при движении судна во
льдах отличается еще большим диапазоном рабочих режимов: от
полного хода на чистой воде до швартовного при остановке судна
(см. обозначения на рис. 2.12). Таким образов охватывается весь
спектр винтовых характеристик от постоянной сп = 1 до cwmax.
Максимально возможные моменты и мощности определяют-
ся допустимыми значениями индекса ТР топливоподачи ТНВД.
В исключительных случаях требуются перегрузочные режимы,
работа на которых ограничивается по времени (не более 1 ч).
Индекс ТР для . -
топлида О,
80 90 100 ПО 120 1д0 nt од/мин
Рис. 2.12. Режимы работы во льдах пропульсивного комплекса с главным ди-
зелем K8Z70/120E теплоходов типа "Дмитрий Донской":
I, 2, 3 — винтовые характеристики соответственно базовая, на чистой воде, швартовная;
А, В — области кратковременного и длительного режимов; точка а соответствует
условиям Аирном = 8240 кВт; лном = 140 об/мин
77
Рис. 2.13. Влияние времени эксплуа-
тации на сопротивление корпуса R,
коэффициенты попутного потока у
и засасывания t
На работу установки во льдах большое влияние оказывает и
динамическое взаимодействие гребного винта со льдом. Для су-
дов ледового плавания предусматриваются специальные меры
по защите винтов от льда (например, пневмообдув корпуса), ва-
лопровода, редуктора и главных дизелей от опасных динамиче-
ских нагрузок (использование муфт скольжения).
Действие рассмотренных факторов на работу пропульсивного ком-
плекса в основном связывалось с их влиянием на характеристики со-
противления корпуса и гребного винта при неизменном их состоянии.
Однако в процессе эксплуатации происходят обрастание подводной
части корпуса и гребного винта, разрушение краски и металла вслед-
ствие коррозии и кавитации. Следствием этого является изменение не
только сопротивления корпуса, но и гидродинамических характери-
стик гребного винта и его взаимодействия с корпусом. Процессы по-
верхностного разрушения и обрастание обусловливаются многими
причинами и протекают сравнительно медленно. Но их влияние на
потери скорости и увеличение эксплуатационных затрат исключи-
тельно велико, поэтому суда проходят периодические докования: пас-
сажирские — через год, транспортные — через 1,5—2 года. При доко-
вании поверхности корпуса и гребного винта практически восстанав-
ливаются до исходного или близкого к нему уровня.
С течением времени при ухудшении состояния корпуса воз-
растают сопротивление движению 7?, коэффициент попутного
потока v и уменьшается коэффициент засасывания t (рис. 2.13).
Процесс изменения коэффициентов у и 7 сопровождается уве-
личением коэффициента влияния корпуса цк (на 7,5% при т = 15
мес и на 13% при_т = 24 мес для принятых на рис. 2.13 относи-
тельных значений у и т при уо = 0,2 и /q = 0,2). Но одновремен-
но при эксплуатационном состоянии гребного винта изменяются
его гидродинамические характеристики (рис. 2.14): кривая коэф-
фициента момента повышается, а коэффициента упора снижает-
ся, возрастают потери и падает КПД винта т|р. Дополнительное
снижение т|р вызывается уменьшением скорости судна и поступи
78
гребного винта Хр. В результате совместного влияния корпуса и
винта пропульсивный коэффициент ц = т|рт|к снижается в мень-
шей степени, чем т|р (по данным рис. 2.14 с ц = 0,54 • 1 — 0,54 до
т| — 0,41 * 1,13 = 0,51).
Таким образом, при ухудшении состояния корпуса и винта опре-
деляющее влияние на работу пропульсивного комплекса оказывают
повышенное сопротивление движению и снижение КПД винта. Из
эквидистанного изменения кривых К2 также следует, что и для "утя-
желенных” винтовых характеристик сохраняются условия автомо-
дельности и постоянная cwmax — K2vn3LyJK2^ в формуле (2.3) для сп.
Для восстановления состояния подводной поверхности корпу-
са и лопастей гребного винта разработаны специальные техноло-
гии. Поверхности покрывают специальными малообрастающи-
ми красками с высокими прочностными характеристиками (ти-
па Инерта). Предусматриваются и внеплановые подводные очи-
стки корпуса судна. Однако наибольший эффект восстановле-
ния пропульсивных качеств дает шлифование поверхностей
гребных винтов, в том числе подводное шлифование.
К внешним факторам, влияющим на работу пропульсивного
комплекса, можно также отнести изменение осадки и дифферента.
По отношению к расчетной осадке судна в полном грузу, прини-
маемой за единицу 7 = T/Tq = 1 (рис. 2.15), уменьшение осадки
и поверхности подводной части корпуса вызывает снижение со-
противления движению и винтовая характеристика "облегчается".
Рис. 2.14. Влияние состояния гребного винта и корпуса на гидродинамические
характеристики винта (сплошные линии — винт и корпус чистые, штриховые
линии — шероховатые)
79
Внешне это проявляется в изменении соотношения скорости и
частоты вращения гребного винта,
сп ~~ ^лтах ~~ (слтах ~ l)v//Z < 1.
т. е. v/n > 1 и постоянная
Основанием для использования формулы (2.4) является то об-
стоятельство, что с уменьшением осадки коэффициенты попутно-
го потока и засасывания изменяются примерно одинаково. Следо-
вательно, с увеличением относительной поступи Ар на пропуль-
сивный коэффициент ц оказывает влияние в основном изменение
КПД винта Цр и коэффициента момента о < 1- Модель-
ные испытания показывают, что с уменьшением осадки заданная
скорость достигается при меньшей частоте вращения и меньшей
потребляемой мощности. Результаты модельных испытаний выра-
жаются в виде поправок к скорости kv(T) = 1 + 0,0535(1 — Т*2) и
мощности к^Т) = 1 — 0,0235(1 — Т2), которые обычно используют
для корректирования показателей натурных испытаний судов,
проводимых с неполной осадкой (рис. 2.16).
Изменение дифферента также может учитываться отношени-
ем v/n, но в силу малости влияния на скорость (до 3%) для выбо-
ра оптимального дифферента используют статистические дан-
Рис. 2.15. Влияние осадки на коэффициенты попутного потока у и засасыва-
ния /судов с разными обводами корпусов:
Fr = v/(g£),/2 — число Фрунда (g — ускорение свободного падения; L — длина судна)
80
Рис. 2.16. Поправки к скорости kv и
мощности км на изменение осадки 1,04-
1,02
КО
0,98
К N
ные измерений скорости, частоты вращения и дифферента, вы-
полняемые с высокой точностью.
Анализ влияния внешних факторов на работу пропульсивно-
го комплекса позволяет построить и общую схему диагностиро-
вания технического состояния его элементов. На основании ста-
тистических данных по скорости и частоте вращения при неиз-
менных условиях плавания и тихой погоде в процессе эксплуата-
ции могут быть выявлены изменения характеристик элементов
пропульсивного комплекса. Чаще всего они вызываются обраста-
нием корпуса, шероховатостью гребного винта и, как отмеча-
лось, связаны с увеличением сопротивления движению судна и
снижением скорости.
При чистом винте, когда кривые действия винта сохраняются
неизменными, ухудшению состояния корпуса соответствуют
значения относительной поступи Хр = v/n < 1 и постоянной
~сп > 1 (табл. 2.1). Относительные значения скорости v= v/v0 и
частоты вращения п = п/п0 определяются сопоставлением их те-
Таблица 2.1
Элемент пропульсивного комплекса
Корпус
Винт
Двигатель (снижение КПД)
Корпус и винт
Корпус и двигатель
Корпус, винт и двигатель
При ме ча ние. 7Г' = сп 2.
* v J лД
81
кущих значений с базовыми v0 и «о? которые были зафиксиро-
ваны на режиме полного хода (обычно в рейсах после доково-
го ремонта) в спокойной воде при заданном дифференте.
Сложнее обстоит дело с распознаванием ухудшения состоя-
ния гребного винта. Для винта с повышенной шероховато-
стью поверхности лопастей имеем новые гидродинамические
характеристики: коэффициент момента возрастает, коэффи-
циент упора снижается (кривые действия расходятся и КПД
винта падает, см. рис. 2.14). Но с увеличением потерь на греб-
ном винте снижается скорость и для ее восстановления требу-
ется увеличение мощности (на 10—15% через 1 — 1,5 года по-
сле докования). Это обстоятельство может быть использовано
для выявления состояния гребного винта, если в рассмотре-
ние ввести постоянную с, определяемую отношением относи-
тельных значений подачи топлива (индекса топливоподачи
ТНВД А = А/До) и частоты вращения п ~ п/п$. В нормальных
условиях и при неизменном состоянии винта с = А/Я2 = 1. С
ухудшением состояния винта возрастают коэффициент мо-
мента К2 и подача топлива, тогда с > 1 (см. табл. 2.1). Таким
образом, по значению постоянной с ~ 'Х/п2 оценивается изме-
нение КПД винта при чистом корпусе и неизменном КПД
главных дизелей.
Условие цегд = const в первом приближении с точностью до по-
стоянных коэффициента подачи ТНВД = const, механического
КПД главного дизеля Г|мгд = const определяется отношением Д/Л7с'гд;
для нормального состояния главного дизеля Д/Л7^гд = 1. С ухудше-
нием работы топливной аппаратуры, системы воздухоснабжения,
износе ЦПГ эффективный КПД цегд снижается и Д/ЛГетд > 1.
Обычно при эксплуатации состояние корпуса и гребного
винта изменяется не изолированно и может сопровождаться из-
менением состояния главного дизеля. Для таких условий диаг-
ностирование пропульсивного комплекса определяется комби-
нациями относительных значений поступи Хр, постоянных сп и-
с и отношения Д/Л/егд.
Таким образом, статистические данные о скорости судна,
частоте вращения гребного винта, индексе топливоподачи
ТНВД позволяют в первом приближении оценивать состояние
пропульсивного комплекса и принимать соответствующие ме-
ры по восстановлению его характеристик.
82
2.4. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ПРОПУЛЬСИВНОГО КОМПЛЕКСА С ВРШ
Рассмотренные условия работы пропульсивного комплекса
характерны для установок с ВФШ. Надежность, высокий КПД
на всех эксплуатационных режимах обеспечили преимуществен-
ное использование ВФШ на судах практически без ограничения
габаритных размеров гребного винта и подводимой мощности.
Вместе с тем при работе двигателя на ВФШ по винтовым харак-
теристикам 77егд = спп2 и 7?егд = спп3 при пониженных частоте
вращения и скорости судна имеем значительное недоиспользова-
ние мощности и момента двигателя. Для обычных транспортных
судов это обстоятельство не имеет значения, так как при огра-
ниченных изменениях сопротивления корпуса и значениях по-
стоянных 0,95 < сп < 1,05 в области эксплуатационных режимов
полного хода нагрузки главных дизелей близки к оптимальным
(Мегд — 0,8 -J- 0,85; А^гд — 0,7 -г 0,8). Но для судов, работающих в
большом диапазоне изменения сопротивления движению (букси-
ров, траулеров, спасателей, специализированных судов для ледо-
вых условий плавания) жесткая связь винтовых характеристик с
частотой вращения не позволяет выбрать оптимальные режимы
нагружения двигателя.
Как видно из рис. 2.8, б, работа на ВФШ с постоянной скоро-
стью и повышенных сопротивлениях движению обеспечивается
значительным увеличением подачи топлива и момента, что при
малом увеличении частоты приводит к выходу на ограничитель-
ную характеристику и неблагоприятно отражается на работе
главного дизеля. Иногда для буксиров необходимые тяговые ха-
рактеристики обеспечиваются установкой ’тяговых” винтов, т. е.
рассчитанных на использование полной мощности двигателя при
ходе с возом. Очевидно, при работе без воза такой винт оказыва-
ется легким и мощность главного дизеля также недоиспользуется.
В установках с ВРШ эти недостатки устраняются. При работе
с переменным сопротивлением (с тралом, буксиром, во льдах)
путем разворота лопастей характеристики ВРШ приводятся в со-
ответствие с нагрузочными и скоростными характеристиками
двигателя. Нагрузочные возможности ВРШ могут обеспечить по-
стоянство скорости и мощности, т. е. работу по идеальной тяго-
вой характеристике Wera ~ const (рис. 2.17). Реальным условиям
нагружения соответствуют режимы в пределах ограничительной
характеристики главных дизелей. Важная особенность ВРШ ~~
улучшение маневренных качеств. Режимы разгона и торможе-
ния судна осуществляются плавно путем разворота лопастей
гребного винта, а для перемены хода судна не требуется останов-
ка и реверсирование главных дизелей.
83
10 90 110 n,o5lriiiH
Рис. 2. 17. Диаграмма мощ-
ность — частота вращения про-
пульсивного комплекса с ВРШ
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,1 0,6 0,9 v
Рис. 2.18. Определение характеристики
Уегд(т) ВРШ теплохода "Евгений Мравин-
ский":
1 - ВФШ; 2 - ВРШ при n = const; 3 ВРШ,
комбинированное управление
При работе с ВРШ обычно системой управления главными
дизелями и гребным винтом реализуются два вида характеристик
(см. рис. 2.17): по линии 1 — нагрузочные n = const при пере-
менном шаге; по линиям 2, 3 — комбинированные, получаемые
воздействием на шаг и частоту вращения в соответствии с про-
граммой задания H/D и п. При работе на стационарных режимах
полного хода и во льдах используются режимы n — const. На пе-
ременных ходах задание режимов по комбинированной схеме
обеспечивает лучшую экономичность.
Вместе с тем при оценке эффективности пропульсивного
комплекса с ВРШ надо учитывать, что вследствие зависимости
гидродинамических характеристик ВРШ от изменения шага (см.
рис. 2.4) на долевых режимах условие Ар = const не выполняется
и в отличие от ВФШ при H/D < (H/D)q КПД винта т|р и про-
пульсивный коэффициент т| уменьшаются. Повышенные гидро-
динамические потери при скоростях хода v < Vg вызывают уве-
личение мощности и расхода топлива главным дизелем. Наи-
большее снижение отношения H/D и КПД винта и увеличение
мощности по сравнению с ВФШ имеем на режимах n = const
(при v = 0 мощность нулевого упора Р = Nm/NeTJ$ составляет
0,25—0,3). На режимах комбинированного задания частоты и
шага потери на ВРШ и затраты мощности уменьшаются (при
г =0; 0,12 -J- 0,15). Для улучшения экономичности в диапа-
84
зоне режимов полного хода иногда предусматривается сохране-
ние шага, следовательно, на участке H/D = const ВРШ работает по
характеристике 7?егд = гг и дополнительные потери исключаются.
Разности мощностей = (^егд)врш “ (^егд)вфш в функции
скорости (рис. 2.18) можно аппроксимировать уравнением пара-
болы = Р(1 — v2) и зависимость ^егд(у) представить в виде
егд/врш
егд
+ Р(1 - V2).
Возможность дополнительного изменения нагрузки дизеля
путем воздействия на шаг винта, с одной стороны, значительно
расширяет область эксплуатационных режимов, улучшает ис-
пользование мощности и маневренные качества судна, компен-
сирует влияние внешних факторов на характеристику винта и
исключает режимы работы в области "тяжелого" винта. С другой
стороны, при работе на ВРШ условия для перегрузки дизеля ста-
новятся более вероятными, чем при работе на ВФШ. Эти об-
стоятельства выдвигают специфические требования к системам
управления, защиты и к назначению режимов.
Наиболее полно этим требованиям удовлетворяет (рис. 2.19)
система дистанционного автоматизированного программного из-
менения шага и частоты вращения с комбинатором и регулято-
ром нагрузки. В многомашинных установках предусматривается
автоматическое распределение нагрузки между дизелями. Ком-
бинатор воздействует на всережимный регулятор дизеля и эле-
менты механизма изменения шага. Регулятор нагрузки работает
во взаимосвязи с регулятором шага и датчиками входных сигна-
лов по положению рейки топливных насосов и частоты враще-
ния. Командные сигналы на задние частоты вращения и шага Н
винта вводятся рукоятками телеграфов на ходовом мостике или
ЦПУ.
Рис. 2.19. Схема управления пройуль-
сивным комплексом с ВРШ (фирмы
"KaMeWa"):
1 — комбинатор; 2, 3 — регуляторы шага и
нагрузки; 4 — датчики входных сигналов; 5
— всережимный регулятор; 6 — механизм
изменения шага; 7 — ЦПУ; 8 — ходовой
мостик
85
77, % К0$!Мин)
Н/Щ JX
Рис. 2.20. Диаграмма комбинированного задания частоты вращения и шага винта
Особенности работы дизеля на ВРШ прослеживаются на всех
стадиях задания режимов. Пуск и прогревание дизеля произво-
дятся только с ЦПУ или с местного поста. Дизель работает в ре-
жиме холостого хода (ha ~ 0,3 Лоном; п = 0,55лном) при конструк-
тивном нулевом упоре винта. Только после прогревания и про-
верки рабочих параметров управление передают на мостик и со-
общают о готовности дизеля.
В дальнейшем режим работы дизеля и скорость судна изме-
няют перемещением рукоятки телеграфа на мостике. Командный
сигнал ТЛГ поступает в комбинатор и разделяется на сигнал за-
данного шагового отношения Н/D и частоты вращения в соответ-
ствии с диаграммой (рис. 2.20). Диаграммой охватываются все воз-
можные режимы работы установки при маневрировании и экс-
плуатационных ходах судна. Штриховыми линиями показаны ха-
рактерные сочетания Н/D и и, при которых обеспечиваются мак-
симальная сила упора винта на швартовах и режимы длительной
эксплуатационной и максимальной мощностей. Следует обратить
внимание на то, что комбинированное управление на ходе "Впе-
ред" распространяется только на область маневренных режимов
(ТЛГ < 8). При дальнейшем увеличении нагрузки воздействие на
шаг винта прекращается и на режимах полного хода (ТЛГ > 8) ди-
зель работает на характеристике ВФШ[(Я//))тах = const = 0,95].
86
Другие особенности работы дизеля определяются действием
регулятора нагрузки. В процессе маневрирования из-за инерции
судна и на установившихся режимах возможны перегрузки дизе-
ля или, наоборот, недоиспользование мощности. Благодаря регу-
лятору нагрузки такие условия автоматически устраняются
корректированием шага винта.
Как отмечалось, входными сигналами для регулятора нагруз-
ки являются основные режимные параметры ha и п. Действуя со-
вместно с регулятором скорости, обеспечивающим заданную
частоту вращения, регулятор нагрузки при рассогласовании дей-
ствительных и программных значений вырабатывает сигнал на
разворачивание лопастей винта так, чтобы сохранить соответст-
вующее значению лзад положение органа управления подачей то-
плива ha. Следовательно, при всех внешних возмущениях путем
изменения шага винта стабилизируются момент и мощность ди-
зеля. Как видно из рис. 2.21, программами ha(n) охватывается
большая область нагрузок и частот вращения. Очевидно,
100%-ная программа не должна выходить за пределы ограничи-
тельной характеристики дизеля по Редоп или Лодоп-
Задание программ регулятора нагрузки возможно только из
ЦПУ и производится в соответствии с техническим состоянием
дизеля или спецификой работы судна. Выбор оптимальных про-
грамм особенно важен для траулеров, буксиров, судов ледового
плавания, так как позволяет существенно улучшить тяговые
свойства и без перегрузки дизеля получить необходимую ско-
рость во льдах, с тралом или буксиром. С использованием регу-
лятора нагрузки решаются и другие важные задачи по оптимиза-
ции управления дизелями:
оптимизируется подача топлива во всем диапазоне скорост-
ных режимов независимо от обрастания, глубины под килем,
мертвой зыби, встречного ветра;
улучшаются маневренные качества судна и сокращается тор-
мозной путь при экстренной остановке, так как изменение по-
дачи следует оптимальной зависимости ha(n);
осуществляется автоматическая защита дизеля от перегрузки
при выходе из строя ТНВД, форсунок отдельных цилиндров, а
при внезапном разобщении муфт или остановке дизелей в мно-
гомашинных установках режимы работы остальных дизелей оп-
ределяются программой йд(л);
обеспечивается лучшее использование ресурса дизеля путем
переключения программ и приведения их в соответствие с со-
стоянием дизеля, сортом применяемого топлива;
стабилизируется частота вращения на режиме работы с вало-
генератором при переменных внешних условиях, а при колеба-
87
Рис. 2.21. Программные характеристики регулятора нагрузки:
] ~ перегрузочная; 2 — номинальная; 3 — эксплуатационная; 4, 5 — частичные
ниях тока в цепи валогенератора поддерживается полная загруз-
ка главных дизелей.
Регулятор нагрузки осуществляет только автоматическое
корректирование шага по фактической частоте вращения, а не
автоматический выход на режим полного хода по временной
программе. Тем не менее он предохраняет дизели от небрежного
обращения с рукоятками управления на мостике или в ЦПУ. Его
динамические характеристики удовлетворяют требованиям пере-
ходных режимов при маневрировании, в том числе в таких тяже-
лых условиях, как быстрое изменение шага винта с полного хо-
да вперед на полный ход назад.
Во избежание частых изменений положения лопастей винта
регулятор настраивают на воздействие сравнительно плавных
внешних возмущений (длительность возмущения более 5 с, зона
чувствительности ± 1,5 -г- 2%) и в штормовых условиях, как пра-
вило, не используют.
88
Важные преимущества от применения программных регулято-
ров нагрузки привели к тому, что комбинированное воздействие
на шаг винта и частоту вращения дизелей в сочетании с автома-
тическим корректированием шага является основным способом
управления в установках с ВРШ (позиции 1 и 9, табл. 2.2).
Другие возможные способы управления рассматриваются как ча-
стные или аварийные. Например, при использовании валогенераторов
на режимах маневрирования осуществляется способ управления (поз.
2), обеспечивающий работу главных дизелей по нагрузочной характе-
ристике с постоянной номинальной частотой вращения, аналогичный
способу управления и в случае неисправного канала комбинатора
(поз. 4).
Таблица 2.2
Способ управления Место поста управления Положение органов поста управления
Комбинатор или раздельное управление Постоян- ная час- тота вра- щения Регулятор нагрузки Резервная система управления
1. Основной режим работы Мостик Комбинатор Выкл Вкл Выкл
2. С постоянной час- тотой вращения » » Вкл Выкл »
3. Неисправность ре- гулятора нагрузки 4. При неисправном » » Выкл » »
канале частоты враще- ния комбинатора 5. Неисправна глав- ная система управле- » » Вкл » »
ния. Перекладка шага кнопками "вперед", "назад", частота враще- ния постоянная 6. То же, но управле- » » » X Вкл
ние частотой вращения комбинатором 7. Управление шагом » Комбинатор Выкл X »
и частотой вращения вручную с помощью ре- дукционных клапанов ЦПУ Раздельное управление X Вкл X
8. То же, но без регу- лятора нагрузки ЦПУ То же X Выкл X
9. Основной режим работы ЦПУ Комбинатор Выкл Вкл X
Примечание, х — положение выключателя не имеет значения, так как не влияет
на выбор режима управления.
89
Как отмечалось, комбинированное управление винтом и дизеля-
ми может осуществляться и без регулятора нагрузки (поз. 3). Очевид-
но, на режимах работы п = const и при отключении регулятора на-
грузки, а также при переходе на резервную (кнопочную) систему
управления с мостика (позиции 5 и 6) требуется дополнительная за-
щита дизелей от перегрузки по топливу. Эти задачи берет на себя ме-
ханизм ограничения нагрузки всережимного регулятора дизеля. При
достижении допустимого уровня йодоп срабатывание механизма огра-
ничения нагрузки регулятора сводится к подаче команды на уменьше-
ние шага винта. Уменьшение шага будет продолжаться до тех пор, пока
рейка топливных насосов не займет положение AOTOn- При этом на мос-
тике и в ЦПУ выключается оповещающий сигнал "Перегрузка дизеля".
В случае выхода из строя системы ДАУ предусматривается аварий-
ное управление из ЦПУ с местных постов (позиции 7 и 8).
К другим особенностям работы дизелей на ВРШ следует отнести
наличие режимов холостого хода и работу с малой нагрузкой при по-
вышенной частоте вращения. С одной стороны, это требует согласно
Правилам Регистра судоходства дополнительной защиты дизеля от
разноса с помощью регулятора безопасности, а с другой — дозиро-
ванной подачи масла на смазывание цилиндров в зависимости от по-
дачи топлива, т. е. применения системы регулируемой подачи масла.
Опыт показывает, что на выбор способа управления {Н/
D ~ var, п = var или H/D = var, п = const) влияет степень загрязнения
газовыпускных трактов на режимах маневрирования. Критерием здесь
является температура выпускных газов. При температуре 7Г <
300°С, характерной для комбинаторных режимов, отмечается значи-
тельное отложение в трактах жидких масляных остатков. Поддержа-
ние скоростного режима п = const и Тг > 300°С хотя и способствует
большему поступлению масла в выпускной тракт, но уменьшает отло-
жения, так как образующийся сухой нагар уносится потоком газов.
В основном на ВРШ работают среднеоборотные дизели с редук-
торной передачей, система непосредственного реверсирования кото-
рых может сохраняться как резервное средство при заклинивании ло-
пастей гребного винта. В этом случае снимается блокировка, препят-
ствующая подключению муфт к неработающим дизелям, и при
включенных муфтах производятся одновременный пуск главных ди-
зелей, маневрирование и нагружение по характеристике ВФШ.
Рассмотрим подробнее режимы нагружения энергетической уста-
новки теплоходов типа "Норильск" (СА-15) в ледовых условиях.
Главная энергетическая установка представляет собой два средне-
оборотных дизеля 14ZV40/48 Вяртсиля-Зульцер номинальной мощ-
ностью 7700 кВт каждый при частоте вращения 560 об/мин; макси-
мальная длительная мощность ГД установлена 90% номинальной.
90
В состав пропульсивного комплекса судов СА-15 входят так-
же: одноступенчатый редуктор типа ASM2 х 187,5 фирмы
"Ренк" с передаточным отношением 4,67 (частота вращения ве-
дущего вала 560 об/мин, ведомого — 120 об/мин, по две гидро-
динамические муфты и жесткие муфты сцепления, валопровод
ВРШ фирмы "КаМеВа”.
Система управления пропульсивным комплексом предусмат-
ривает несколько вариантов нагружения ГЭУ (рис. 22).
При плавании на чистой воде в зависимости от потребной
скорости судна используется Комбинаторная программа одного
или двух ГД (линии 2, 5, см. рис. 2.22, б). Соединение их валов с
гребным валом производится преимущественно через ЖМС.
Комбинаторной программой предусмотрено задание определен-
ных соотношений шага винта и частоты вращения вала дизеля
установкой в соответствующее положение ТЛГ поста управле-
ния на мостике (см. рис. 2.22, а).
При плавании в ледовых условиях используется программа
постоянной частоты вращения (ледовая). Передача мощности
при этом производится через ГДМ. Нагружение ГД осуществля-
ется изменением шага винта по линии 1 (см. рис. 2.22, б).
Кроме указанных основных вариантов эксплуатации пропуль-
сивного комплекса, возможны также работа двигателей по ледо-
вой программе с передачей мощности через ЖМС и работа од-
ного или двух ГД по комбинаторной программе с передачей
мощности через ГДМ. В изменяющихся условиях плавания по-
стоянство мощности двигателя поддерживается автоматическим
регулятором нагрузки. Изменением положения потенциометра
ограничения мощности при помощи регулятора нагрузки за-
даются различные программы ограничения нагрузки от 100% до
частичных (см. рис. 2.21). Потенциометр регулятора нагрузки,
располагаемый в ЦПУ, воздействует непосредственно на шаг
винта. Таким образом, регулятор нагрузки также является со-
ставным элементом системы управления ВРШ и ГД. При работе
с включенным регулятором шаг винта, подачу топлива и частоту
вращения устанавливают в соответствии с заданием телеграфа и
характеристикой ограничения подачи топлива ha{ri). При посто-
янном положении телеграфа перестановкой потенциометра осу-
ществляется переход с одной ограничительной характеристики
на другую, и дизели нагружают по характеристикам п = const в
рабочем поле режимов диаграммы мощность — частота вращения
(см. рис. 2.22, б). Из диаграммы следует, что максимальные дли-
тельные эксплуатационные мощности Аегд(и) устанавливаются в
соответствии с комбинаторной программой и рабочей характери-
стикой ограничения нагрузки дизелей. Таким образом, основные
эксплуатационные режимы полного хода (50% < Аегд < 100%) рас-
91
7Z7 80 90 100 110 120 п,о&/ниН
Рис. 2.22. Диаграммы
задания шага Я/Ь, час-
тоты вращения п глав-
ных дизелей типа
14ZV40/48H режимов
пропульсивного ком-
плекса с ВРШ теплохода
типа "Норильск":
1 — режимы при п = const;
2, 3 — режимы комбини-
рованного управления со-
ответственно одним и дву-
мя дизелями
92
полагаются в области максимального КПД винта, т. е. заданные
скорости хода обеспечиваются при меньшей мощности ГД.
Определенными комбинациями положений телеграфа, задания
характеристик регулятора нагрузки и программ управления в обо-
значенных диапазонах изменения мощности одного или двух ГД
можно реализовать любой режим дизелей. Многообразие возмож-
ных вариантов управления пропульсивным комплексом наблюдает-
ся на некоторых характерных режимах. Так, при ходе на чистой во-
де со скоростью 18 уз одинаковая мощность главных дизелей дости-
гается с жесткими муфтами и гидродинамическими муфтами сколь-
жения (точки а и b на рис. 2.22, б). Это означает, что снижение час-
тоты вращения гребного винта на значение скольжения ГДМ при
большем шаге полностью компенсируется увеличением КПД винта.
Отмеченное обстоятельство еще в большей степени наблюдается
при пониженных скоростях хода и повышенном сопротивлении
движению. При следовании за ледоколом со скоростью 16 уз и зада-
нии режимов по комбинаторной программе с муфтами скольжения
(а не по ледовой программе п — 100% = const) потребляемая мощ-
ность и расход топлива несколько снижаются (точки с и d), В этих
условиях работа двух двигателей мощностью 45—50% и пониженной
частотой вращения п = 65 -? 70% по сравнению с режимом
п = 100% — const характеризуется уменьшением расхода масла на
смазывание деталей ЦПГ, меньшими отложениями нагара в камерах
сгорания и трактах. Однако на режимах работы при п < 100% (точка
d) снижается запас по помпажу компрессоров агрегатов наддува и
возможны явления помпажа компрессоров на переходных режимах.
Другие особенности управления отмечаются при задании ре-
жимов работы судна на упоре по ледовой программе (п — const) с
муфтами скольжения, что практически соответствует швартовно-
му режиму, когда маневренной программой предусматривается
ограничение шага (JI/D ~ 0,8 = const) в диапазоне 7—10 позиций
телеграфа. Если в этих условиях потенциометр регулятора на-
грузки установлен на полное задание шага, то с перемещением
телеграфа в позиции ТЛГ > 7 в переходный период система
управления ВРШ пытается увеличить шаг, что вызывает кратко-
временную (~20 с) перегрузку дизелей с выходом реек ТНВД на
упор, снижение частоты вращения и появление сигнала о пере-
грузке дизеля. Рассогласование значений подачи топлива и час-
тоты вращения затем устраняется действием регулятора нагруз-
ки, и равновесный режим восстанавливается при швартовном
значении шага. Иначе говоря, регулятор нагрузки в силу инерци-
онного воздействия на шаг винта при 100 %-ном задании мощ-
ности на переходных режимах не защищает дизели от перегрузки
по топливу. Подобные условия работы могут возникать и на ма-
невренных режимах, когда при разгоне или торможении судна
93
режимы работы задаются быстрым перемещением телеграфа. Пе-
регрузки дизелей исключаются при медленном перемещении те-
леграфа и задании потенциометром программы регулятора на-
грузки на уровне 80%.
2.5. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОПУЛЬСИВНОГО КОМПЛЕКСА С ГИДРОЗУБЧАТОЙ
ПЕРЕДАЧЕЙ МОЩНОСТИ НА ГРЕБНОЙ ВИНТ
Для лучшего понимания взаимодействия элементов пропуль-
сивного комплекса с ВРШ и муфтами скольжения рассмотрим
несколько подробнее характеристики муфт.
Работа пропульсивного комплекса с гидрозубчатой передачей
мощности главных дизелей на гребной винт на стационарных режи-
мах мало отличается от условий работы в установках с прямой пере-
дачей. Дополнительные потери в муфте и редукторе отражаются
лишь на КПД передачи. Однако тип и характеристики муфт суще-
ственно влияют на динамические свойства комплекса при маневри-
ровании судна, перемене хода, плавании во льдах (см. п. 2.4).
В дизель-редукторных установках теплоходов наиболее рас-
пространены механические и гидродинамические муфты, элек-
тродинамические муфты встречаются сравнительно редко. Муф-
ты всех типов, используемые как муфты сцепления, работают без
изменения передаваемого момента или с очень малым изменени-
ем частоты вращения. Иначе говоря, моменты на входном и вы-
ходном валах муфты равны между собой, а различие в частотах
вращения вызывается потерями в муфте.
Так, для гидродинамической муфты, состоящей из роторов
насоса и гидравлической турбины (рис. 2.23), Мн = А/т, т. е. мо-
менты, потребляемые насосом и развиваемые турбиной, одина-
Рис. 2.23. Гидромуфта:
1 — рукоятка управления зо-
лотниками подвода 5 и отво-
да 3 масла; 2, 4 — роторы на-
соса и турбины; 6, 7 — веду-
щий и ведомый валы
94
ковы и равны эффективному крутящему моменту дизеля. Мощ-
ности же на валу насоса (потребляемая) и турбины (развиваемая)
различны:
= #нС?Р/Пн = Л/НЛЛН/ЗО;
7VT = Ят0р/г|т = Л/тл72т/30,
где П]{ = Нт — теоретический напор, создаваемый насосом и равный на-
пору, срабатываемому турбиной, кДж/кг; Q — подача насоса, м3/с; р —
плотность жидкости (обычно масла), кг/м3; т|н, Т|т — КПД насоса и тур-
бины; лн, лт — частота вращения роторов насоса и турбины (винта — с
учетом передаточного отношения редуктора nr = ив/р), об/мин.
Отсюда общий КПД гидромуфты т|гм = NT/NH = ^г/ин = ЛиПп
а потери в муфте определяются скольжением 5ГМ — (лн — пт)/пи =
— 1 ” т|гм. Например, при заклинивании гребного винта щ = 0;
SrM ~ 100%; т|гм — 0, но частота вращения дизеля п 0 и вся подво-
димая мощность поглощается внутренними сопротивлениями муфты.
В нормальных условиях регулирование частоты вращения
винта и скорости судна осуществляется непосредственно дизеля-
ми при постоянном заполнении муфт. Управление несколькими
дизелями ведется с центрального пульта, и для муфт предусмат-
ривается только два положения: включено и выключено. При
включенном рабочем состоянии муфты золотник подвода масла
открыт полностью. Масло из напорной цистерны по осевому ка-
налу вала поступает на всасывание насоса муфты. Энергия дви-
жения масла по кругу циркуляции используется в турбине, и
часть масла через зазоры в прикрытых сливных отверстиях на
наружном кожухе муфты сливается в сточную цистерну, откуда
забирается насосом и через фильтры и маслоохладитель пере-
качивается в напорную цистерну. Для опорожнения муфты одно-
временно открываются сливные отверстия и закрывается золот-
ник подвода масла.
Свойства муфты определяются ее характеристикой — зависи-
мостью момента, мощности и КПД от частоты вращения выход-
ного вала (рис. 2.24).
По оси абсцисс при полном заполнении отложена частота
вращения выходного вала или винта. Кривые Мм(лв) показы-
вают, что при постоянной частоте вращения вала дизеля момент
муфты возрастает во всем диапазоне частот вращения винта
вплоть до его полной остановки (в точках на оси ординат, где
«В = °; ^ГМ = 100%; Г)гм = 0).
Если бы можно было поддерживать номинальную частоту
вращения при всех условиях, то при полном заклинивании винта
95
Рис. 2.24. Характеристики гидродина-
мической муфты
о го м во го ns,o/a
муфта могла бы передать максимальный момент, равный восьми-
кратному номинальному моменту дизеля. Иначе говоря, гидромуфта
является весьма надежным устройством с точки зрения сцепления
вала с винтом. При любых скольжениях в случае подключения муф-
ты к работающему дизелю момент его полностью передается винту,
что обеспечивает тяговые и маневренные качества установки.
Кривые Мм(ив) одновременно характеризуют изменение мощности
на входном валу при и = const и различных скольжениях. Изменение
же мощности Лт — отдаваемой винту, протекает иначе. С уве-
личением скольжения мощность NT сначала возрастает, а затем
уменьшается. Максимальная мощность 7VT, равная четырехкратному
значению номинальной мощности дизеля, достигается при
лв = 0,66яном. С уменьшением частоты вращения дизеля максималь-
ная мощность уменьшается и смещается к началу координат.
Для любой точки характеристики КПД муфты определяется
отношением пв/п (кривые 2—4 постоянного КПД цгм — const).
Так, для кривой т|гм — const, проходящей через точку 0, соответ-
ствующую режиму полного хода, п = пном, т|гм — 0,97. При неиз-
менных условиях плавания это значение КПД сохраняется на
всех режимах винтовой характеристики (линия 3). Отсюда оче-
видно влияние условий плавания на КПД муфты. С переходом
на характеристику тяжелого винта, например при обрастании
корпуса, скольжение муфты возрастает, кривая постоянного
96
КПД (линия 2) располагается левее номинальной и т|гм падает.
При ходе с балластом, наоборот, уменьшается разность — пв), кри-
вая т|ш = const располагается ниже номинальной и цгм увеличивается
(линия 4). Режимы работы дизеля на винт определяются точками пе-
ресечения кривых Мм с характеристиками 2—4 винта. Допускаемая
нагрузка при снижении частоты вращения вследствие утяжеле-
ния или торможения винта, как и в установках с прямой пере-
дачей, определяется кривой ограничения Редоп (линия 7). Если
дизель снабжен всережимным регулятором с ограничением на-
грузки По фактической частоте вращения, то при торможении
винта частота вращения снижается в соответствии с кривой
Редоп. При достижении пв — 0 частота вращения дизеля понижа-
ется до минимально устойчивой, что и приводит к его остановке.
В случае сохранения полного крутящего момента (Мм = const)
частота вращения дизеля ко времени заклинивания винта (пв = 0)
снизилась бы примерно до 36%. Такой скоростной режим для дизеля
не допускается, поэтому с переходом на "тяжелый” винт требуется
уменьшить частоту вращения, а в случае заклинивания винта — оста-
новить дизель.
Специфическое применение гидравлические муфты находят
на судах ледового плавания. Демпфирующие способности муфт
позволяют снизить динамические нагрузки на элементы про-
пульсивного комплекса и защитить редуктор, дизель и сам винт
от ударов об лед. В то же время неизбежные гидродинамические
потери энергии в муфтах при плавании в свободной воде сни-
жают КПД установки.
Компромиссное решение, найденное на судах типа СА-15, состоит
в использовании двойного рода муфт: в ледовых условиях мощность
дизеля передается на винт через гидродинамические муфты, в свобод-
ной воде — через фрикционные механические муфты.
В заключение отметим, что дизели, работающие на винт через
муфту, независимо от типа муфты и наличия всережимного регулято-
ра по требованию морского Регистра судоходства должны иметь регу-
лятор безопасности. Такой регулятор страхует работу всережимного
регулятора и защищает дизель от разноса при внезапном отключении
муфты. В связи с частой работой при пониженных скоростных режи-
мах всережимный регулятор должен быть дополнен устройством огра-
ничения нагрузки, предохраняющим дизель от возможной перегруз-
ки при остановке одного из дизелей.
4 Зак. 1596
97
Глава 3
ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧНОСТИ СУДОВЫХ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
3.1. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
И ПРОПУЛЬСИВНОГО КОМПЛЕКСА
Обеспечение высокой топливной экономичности СЭУ — одна
из важнейших задач, решаемых при постройке судна и комплек-
тации установки главными, вспомогательными двигателями и
механизмами. Не меньшая роль отводится и достижению рацио-
нального взаимодействия элементов пропульсивного комплекса,
судовой электростанции, системе утилизации и приводу вспомо-
гательных механизмов.
Для общего представления об экономичности СЭУ вводятся
понятия КПД энергетической установки т|у и КПД пропульсив-
ного комплекса т|прк, определяемые отношением полезной энер-
гии к подведенной. В оценке этих энергий исходным положени-
ем является известное разделение механизмов СЭУ по назначе-
нию на главные и вспомогательные. Главные дизели обеспечи-
вают движение судна. Подводимая к ним энергия выражается
произведением расхода топлива на его теплоту сгорания, т. е.
бгдСнгд “ затраты энергии на главные потребители.
Для транспортных судов характерно также потребление элек-
трической и тепловой энергии на вспомогательные нужды: об-
служивание энергоустановки и судна в целом. Электрическая
энергия вырабатывается вспомогательными дизель-генератора-
ми, тепловая — вспомогательными котлами. Соответственно за-
траты энергии на вспомогательные потребители СВД0НВД и
^вк бнвк-
Таким образом, общие затраты энергии на установку во время
хода, представленные произведением расхода топлива на уста-
новку Gy на теплоту сгорания условной смеси топлив 0ну, опре-
деляются суммой расходов энергии на главные и вспомогатель-
ные потребители:
бубну “ бГд£?НГд + £ВД0НВД + GBKQHBK.
98
Соответственно расход топлива на установку
Gy - £гд
вд
вк-
С введением относительных величин расхода топлива на глав-
ные Х = Gyp/Gy, вспомогательные У= С?вд/бу дизели и на вспо-
могательные котлы Z= G^/Gy сумма долевых расходов топлива
Х + У + Z — 1, а расчетная теплота сгорания условной смеси топлив
Сну “ ^Снгд ^Снвд Жвк-
Произведения Х()нгд/()ну, У(2Нвд/С2ну> ^Снвк/Сну соответствуют
долевым расходам энергии, а их сумма ЛХ?нгд/0ну + ^бнвд/Сну +
ZQyxsxJ Сну “ 1 •
При незначительных различиях в теплоте сгорания используемых
сортов нефтяного топлива (2—3%) значения 0НГД, 2НВД, QHBK можно
принять одинаковыми и равными, например 2Н = 42 000 кДж/кг по
международному стандарту ISO. Тогда, очевидно, долевые расхо-
ды топлива Z, У, Z будут выражать и долевые затраты энергии на
главные и вспомогательные потребители.
Перейдем к рассмотрению полезной энергии. Для транспорт-
ных судов это энергия, непосредственно идущая на перевозку и
обслуживание груза и пассажиров.
В оценке КПД собственно энергетической установки т|у энер-
гетический баланс замыкается в контуре машинного отделения
(рис. 3.1) без учета преобразования энергии на гребных винтах и
Рис. 3.1. Элементы энергетической установки
4*
99
влияния внешней среды. При работе судна без затрат энергии на
обслуживание груза (сухогрузные теплоходы, балкеры) полезная
транспортная энергия определяется мощностью подводимой
к гребным винтам. Следовательно, КПД энергетической уста-
новки равно отношению мощности на винтах к общим затратам
энергии на. всю установку
Лв3600
= G О ’
3 у *^ну
С учетом эффективного КПД главных дизелей т|егд =
= ЛГеГд • 3600/(<7гдЬНГд) КПД главной передачи Ппгд = ЛвЖгд и
долевого расхода энергии на главные двигатели X исходное выра-
жение для Цу преобразуется к виду
Пу ПегдПпгд^-
Сомножители правой части отражают потери:
реальные теплотехнические (в главном дизеле — в охлаж-
дающую среду #охл, е уходящими газами #газ и на преодоление
внутренних сопротивлений, учитываемых механическим КПД т|м)
Пегд П/тдПм [1 (#охл #газ)]Пм>
в главной передаче (валопроводе 7ВП, редукторе <7ред, муфтах <?м)
Ппгд ~ 1 “ ((7вп *" (7ред + (7м) J
условные в виде относительных затрат энергии на вспомога-
тельные дизели и вспомогательные котлы X— 1 — (У + Z).
Принятые в определении т|у ограничения позволяют оцени-
вать только теплотехническую сторону работы СЭУ, обусловлен-
ную типом установки, ее комплектацией, техническим состояни-
ем механизмов и использованием утилизационных устройств.
Гидродинамические потери энергии на гребных винтах и при их
взаимодействии с корпусом судна, зависящие от внешних факто-
ров (волнения моря, осадки, глубины под килем), состояния
корпуса, винта, здесь не рассматриваются. Однако для полноты
анализа связей параметров главных дизелей и передачи с харак-
теристиками гребных винтов требуется принимать во внимание и
потери, обусловленные гидродинамикой работы винта и взаимо-
действием его с корпусом судна (см. гл. 2). С этой целью исполь-
зуется выражение КПД пропульсивного комплекса
7V6 3600
^прк “ ~G Q
гд ^нгд
100
где полезная транспортная энергия определяется буксировочной
мощностью Аб, расходуемой на преодоление сопротивления дви-
жению судна с заданной скоростью, а подведенная энергия оп-
ределяется затратами энергии на главные двигатели Сгд0Нгд-
С учетом пропульсивного коэффициента т| = Аб/Ав ”
КПД главных двигателей и передачи т|прк = ЦегдЛпгдЛ-
Как отмечалось, в пропульсивный коэффициент ц входят по-
тери на гребных винтах и при их взаимодействии с корпусом
Л = ЛрЛк- КПД винта в свободной воде цр = Pvp/NB, коэффици-
ент влияния корпуса цк = (1 — /)//(! — у).
Коэффициент засасывания (Р — Р^/Р учитывает уменьше-
ние тяги винта Ре по сравнению с упором Р на значение силы
засасывания F — Р — а коэффициент попутного потока у —
различие между скоростью судна г и скоростью винта относи-
тельно воды vA. Сомножитель i отражает влияние на т|р неравно-
мерности поля скоростей в диске винта.
Заметим, чтр общую экономичность СЭУ с учетом теплотех-
нических, гидродинамических факторов и условных потерь энер-
гий на вспомогательные нужды можно выразить через обобщен-
ный КПД отношением буксировочной мощности к затратам
энергии на установку цобщ = Аб • 36ОО/(бу0ну) или в виде произ-
ведения т|общ = ПегдЛпгд^Л- Очевидны и связи т|общ с КПД цу и
Лпрю а именно г|общ = цуц и цобщ = Ппрк*
Таким образом, КПД т|у, т|прк, Лобщ отражают совокупное
влияние характеристик двигателей, передачи, винта, систем ути-
лизации на эффективность топливоиспользования в СЭУ. Кон-
кретными показателями экономичности установки могут слу-
жить и удельные расходы топлива на единицу мощности:
на винтах gy = 3600/(г|у 0ну) = 6у/Ав;
буксировочной в составе пропульсивного комплекса
<£пк ~ 36ОО/(г|прк0нтд) — G^/Nfy,
буксировочной в составе СЭУ #общ = ЗбООДц^щб^) — Gy/Afc-
Анализ экономичности СЭУ сводится к рассмотрению входя-
щих в КПД сомножителей с точки зрения их абсолютных значе-
ний и связей между ними. Эффективность топливоиспользова-
ния определяется достигнутыми значениями КПД главных дви-
гателей, главной передачи, пропульсивного комплекса, а также
возможностями системы утилизации обеспечить ходовые режи-
мы без затрат энергии на вспомогательные потребители (X — 1).
Эти вопросы рассматриваются далее на примерах совершенство-
вания судовых дизелей, элементов пропульсивного комплекса,
развития систем утилизации и привода вспомогательных меха-
низмов.
101
3.2. ПОВЫШЕНИЕ КПД ПРОПУЛЬСИВНОГО КОМПЛЕКСА. СОГЛАСОВАНИЕ
ХАРАКТЕРИСТИК ДИЗЕЛЕЙ И ГРЕБНОГО ВИНТА
Наибольшее влияние на экономичность СЭУ оказывает КПД
пропульсивного комплекса г|прк = ПегдЛпгдЛ- Это обстоятельство
нашло отражение в подавляющем использовании малооборотных
дизелей, работающих непосредственно на винт при пониженных
частотах вращения (70—120 об/мин). Рассмотрим достигнутые
уровни цпрк и связи т|егд, т| более подробно.
Совершенствование судовых дизелей в основном подчинено
требованиям обеспечения максимальной топливной эконо-
мичности. Рациональное конструирование, технология и иссле-
дования позволили понизить удельные расходы топлива ge с 0,22
до 0,17 кг/(кВт*ч). Впервые в истории тепловых двигателей дос-
тигнут КПД 50 % и выше.
Основными направлениями повышения г|егд являются: дальней-
шее форсирование мощности дизелей наддувом и повышение КПД
агрегатов наддува; применение турбокомпаундных систем с силовы-
ми утилизационными турбинами в качестве источников дополни-
тельной мощности; создание конструкций, допускающих организа-
цию рабочего процесса с высокими значениями максимального дав-
ления сгорания рг; оптимизация параметров с целью минимизации
удельного расхода топлива на эксплуатационных режимах полного
хода; применение длинноходных и сверхдлинноходных дизелей (от-
ношение хода поршня к диаметру цилиндра S/D — 2,5 4,0).
Рассмотрим эти направления более подробно.
Длительное время турбонаддув как средство повышения мощ-
ности при умеренном давлении (ps < 0,2 МПа) не сопровождался
существенным улучшением экономичности судовых дизелей. Од-
нако с ростом давления наддува и мощности ТК в изобарных
системах (при постоянном давлении газа перед турбиной) удает-
ся снизить потери энергии в трактах и агрегатах наддува. Эффек-
тивность современных турбокомпрессоров характеризуется уве-
личением г|тк с 55 до 65—70%. Благодаря этому воздухоснабже-
ние дизеля обеспечивается при меньшем предварении открытия
выпускных органов и большей степени расширения газов в ци-
линдре. Снижаются температура и потери энергии с уходящими
газами. Увеличение полезного хода поршня выражается в прира-
щении площади (заштрихована) нижней части индикаторной
диаграммы (рис. 3.2), следовательно, возрастают среднее индика-
торное давление рь индикаторный ц, и эффективный КПД.
Таким образом, с повышением КПД турбокомпрессоров над-
дув может рассматриваться и как средство улучшения эконо-
мичности дизеля. Ориентировочные значения цтк и снижение
102
Рис. 3.2. Индикаторные диаграммы ди-
зелей МАН — Бурмейстер и Вайн K-GF
(1) и K-GFC (2):
ау ~ начало выпуска при импульсном и изо-
барном наддувах
удельного расхода топлива А&,(т]тк) показаны на рис. 3.3. Следу-
ет обратить внимание на то, что в двухтактных дизелях уменьше-
ние предварения выпуска и снижение ge с ростом г|тк ограниче-
ны. Несколько лучшие условия отмечаются в четырехтактных
дизелях вследствие уменьшения насосных потерь.
Возможности дальнейшего уменьшения экономичности в связи с
повышением г|тк отмечаются в дизелях с турбокомпаундными систе-
мами (турбокомпрессоры дополняются силовыми утилизационны-
ми турбинами). Кривые 2 на рис. 3.3 показывают, что дополнитель-
но снизить показатель ge можно, направив избыточную энергию вы-
пускных газов (-10% при г|тк > 65%) в силовую турбину, связанную
через гидравлическую муфту и редуктор с валом дизеля (рис. 3.4).
Соответствующая автоматика управляет газоперепускным клапаном
и муфтой. При снижении мощности до 55 % подвод газа к силовой
турбине прекращается, муфта отключается и весь газ направляет-
ся в турбокомпрессор. Таким образом осуществляется регулиро-
вание мощности турбокомпрессора, улучшаются параметры над-
дува и повышается экономичность дизеля во всем диапазоне
эксплуатационных режимов (рис. 3.5).
Для организации высокоэкономичного рабочего цикла в но-
вых дизелях используют и традиционные способы повышения
КПД: увеличение максимального давления сгорания pz и дина-
мичности цикла. Давление pz связано с давлением ps соотноше-
нием pz = />$£ЛХ; наддув таким образом способствует повышению
давления pv Однако по конструктивным соображениям рост pz
при наддуве искусственно сдерживался ограничением степени
сжатия £ и степени повышения давления X, что и служило
причиной малого изменения т)егд.
Повышение давления pz потребовало радикального измене-
ния конструкции дизеля, особенно ЦПГ. Детали ЦПГ непосред-
ственно воспринимают давление pz и испытывают большие теп-
ловые нагрузки. Для снижения температур, температурных пере-
103
падов и напряжении введено внутриканальное охлаждение
цилиндровых втулок, крышек, поршней, выпускных клапанов,
что при увеличенной толщине стенок позволяет осуществить
принцип независимого управления уровнями механических и теп-
G) tye* г/(квт"<)
$)Дде, г/(кВт-ч)
70 60 50 40 <р2,°ПКВ
Рис. 3.3. Изменение удельного расхода топлива двухтактного (а) и че-
тырехтактного (б) дизелей (р€ = 1,57 и 2,2 МПа соответственно):
— продолжительность впрыска топлива; заштрихованные области — достигнутые
значения параметров
104
Рис. 3.4. Схема подключения силовой
турбины к дизелю Зульцер RTA:
1 — турбина; 2 — компрессор; 3 — выпуск-
ной коллектор; 4 — главный дизель; 5 — воз-
душный ресивер; 6 — механизм отбора мощ-
ности на валогенератор; 7 — гидромуфта; 8
— редуктор; 9 — силовая турбина; 10 — за-
слонка; 11 — перепускной клапан
Рис. 3.5. Изменение расхода топлива
ge и мощности силовой турбины NCT
дизеля L-MC:
1 — без турбокомпаундной системы; 2, 3 —
при включении и выключении силовой тур-
бины; 4 — мощность силовой турбины
ловых напряжений. Эти изменения наряду с улучшением кон-
струкции подшипниковых узлов и остова позволили повысить
pz с 8 до 12—14 МПа, в дизелях, форсированных наддувом, —
до 1,3—1,7 МПа.
Влияние pz на экономичность объясняется большой полно-
той расширения газов в цилиндре и уменьшением потерь теп-
лоты с уходящими газами. На рис. 3.2 это выражается уве-
личением площади индикаторной диаграммы в ее верхней
части. Кривые Age(pz) на рис. 3.3 указывают на возможные
перспективы улучшения экономичности при дальнейшем по-
вышении давления pz.
Влияние pz на динамичность рабочего цикла используют и
с целью оптимизации ge на эксплуатационных режимах пол-
ного хода. Это так называемая однофакторная оптимизация
(рис. 3.6), осуществляемая изменением только одного параметра
— угла опережения подачи топлива из условия поддержания по-
стоянного давления pz на номинальном уровне. В судовых дизе-
лях новых типов она реализуется специальным регулированием
ТНВД, позволяющим с уменьшением нагрузки увеличивать угол
опережения подачи топлива на 2—3° и обеспечивать постоянст-
во давления pz в диапазоне изменения мощности от 100 до 75%.
Условие pz = const при пониженной частоте вращения сопровож-
дается повышенной динамичностью рабочего цикла и ведет к
105
снижению ge на длительных эксплуатационных режимах. Заме-
тим, что такие режимы характеризуются возрастанием механиче-
ских нагрузок и допустимы лишь для дизелей, где предусмотре-
ны соответствующие запасы прочности (например, по удельным
давлениям в подшипниках).
С целью дальнейшей минимизации кривой ge(Ne) на режимах
длительной эксплуатационной мощности (Ne = 75 -г 80%) при-
меняют многофакторную оптимизацию рабочего процесса. В чис-
ло значимых факторов входят фазы газо-топливораспределения,
площадь сечения соплового аппарата турбины, КПД турбоком-
прессора, степень сжатия. На основании многовариантных чис-
ленных экспериментов на ЭВМ выбирают такую совокупность
варьируемых параметров, при которой при соответствующих ог-
раничениях по pz и коэффициенту избытка воздуха для сгорания
а обеспечивается минимум расхода топлива ge в диапазоне мощ-
ностей Ne = 75 -г 80 %. Таким образом, на эксплуатационных ре-
жимах полного хода оптимизированный двигатель работает с
меньшим ge на 2—4 г/(кВт*ч), но на номинальной (расчетной)
мощности Ne = 100 % экономичность его несколько ухудшается.
Рассмотрим далее повышение КПД пропульсивного комплек-
са путем применения длинноходных дизелей. Своеобразие этого на-
правления заключается в том, что здесь на т|пк.оказывают совме-
стное влияние два фактора: эффективный КПД дизеля т|егд и
пропульсивный коэффициент ц.
Следует отметить, что необходимость дальнейшего улучше-
ния топливоиспользования заставила в 70-х годах пересмотреть
выбор основного конструктивного параметра малооборотных ди-
зелей — отношение хода поршня к диаметру цилиндра путем
увеличения хода. Дизели этого класса традиционно имели отно-
шение S/D— 1,8 -г 2,2 и работали непосредственно на винт с
нижним значением частоты вращения 110—120 об/мин. В соот-
ветствии с этим назначались геометрические характеристики
винта: диаметр, дисковое и шаговое отношения. Вместе с тем из-
вестно, что оптимальные условия с точки зрения КПД винта
Рис. 3.6. Одно- (кривая 7) и многофак-
торная (2) оптимизация расхода топлива
дизелей МАН — Бурмейстер и Вайн типа
МС
106
б)
а) Лде, г/(квт-ч)
K-BF
г г,5 3 3,5 5/D
Рис. 3.7. Снижение расхода топлива длинноходных дизелей (р, = 12,5 МПа)
МАН — Бурмейстер и Вайн (а) и Зульцер (б) с продувкой:
1 — петлевой; 2 — прямоточно-клапанной
достигаются при использовании винтов большего диаметра, ра-
ботающих на более низких частотах вращения (50—80 об/мин).
Однако простое снижение частоты вращения нежелательно, так
как ведет к уменьшению мощности дизеля. Решение было най-
дено в увеличении хода поршня (отношения S/D), что при со-
хранении средней скорости поршня ст = 5п/30 или рабочего
объема (Vhn) отвечает условию сохранения мощности при пони-
женной частоте вращения.
Эффективность снижения частоты вращения и применения
винтов большого диаметра характеризуется существенным уве-
личением пропульсивного коэффициента ц, который возрастает
в среднем на 0,25% на каждый 1% снижения частоты вращения.
Для судов различного назначения в соответствии с возможностя-
ми увеличения диаметра винта отношение S/D малооборотных
дизелей составляет: для контейнеровозов и ролкеров (длинноход-
ные дизели) 2,8—3,2; для танкеров и балкеров (сверхдлинноход-
ные дизели) 3,5—4,17.
С увеличением отношения S/D выявились также возможности
снижения параметра ge и повышения цегд. Кривые ge(S/D) на
рис. 3.7 показывают, что экономичность повышается только на
дизелях с прямоточно-клапанной продувкой и при S/D ~ 4 сни-
жение ge прекращается.
Оптимальные (с точки зрения стоимости дизеля и минимума
показателя ge) отношения S/D = 3,5 -н 3,85 реализованы на двух-
тактных дизелях Зульцер типа RTA и МАН — Бурмейстер и Вайн
типа SMC. В четырехтактных дизелях минимуму ge соответст-
вуют S/D = 1,8 -г- 2 (см. рис. 3.3), т. е. по отношению с достигну-
тым значением S/D= 1,3 -г 1,4 имеются резервы дальнейшего
снижения ge.
В результате совместного влияния показателей цетд и т| на
КПД пропульсивного комплекса расходы топлива на судах с
длинноходными дизелями оказались на 12 — 15% ниже, чем на
107
однотипных судах с дизелями такого же класса, но с обычным отно-
шением S/D,
Благоприятное влияние пониженной частоты вращения на
параметры и КПД винта заставило пересмотреть и сущест-
вующую концепцию согласования характеристик винта и дви-
гателя. Обычно жесткая регламентация частоты вращения и
мощности дизеля затрудняла выбор оптимальных параметров
винта, отвечающих спецификационной скорости судна. Новая
концепция предусматривает существенное расширение облас-
ти задаваемых частот вращения и мощностей дизеля в сторону
пониженных значений. Каждому выбранному в границах об-
ласти режиму соответствуют свои значения спецификацион-
ных параметров Ne и п, которые принимаются в качестве
100%-ной мощности, 100%-ной частоты вращения и оцени-
ваются также в процентах от построечного номинала Ne и п.
На спецификационных режимах регулировочные параметры
по газотопливораспределению и турбонаддуву оптимизирова-
ны из условия gemin при pz = const. Последнее обстоятельство
определяет снижение ge на режимах пониженной мощности
вследствие увеличения отношения pz/pe.
Таким образом, дизель одного и того же типа может удовлетво-
рять заданной скорости v = const и оптимальному расчетному
КПД винта в любой точке области спецификационных режимов.
При выборе наилучшего варианта принимают во внимание стои-
мость двигателя и эксплуатационные расходы на топливо. На рис.
3.8, а показано, что первому условию, например, соответствуют
точки контрактной b и эксплуатационной а мощностей дизеля 4R-
ТА62 Зульцер с минимальным числом цилиндров (точки располо-
жены в верхней части режимного поля), второму условию — ре-
жимные точки дизеля 6RTA62 в нижней части поля с наименьши-
ми удельными расходами топлива. Однако в обоих случаях задан-
ная скорость v = const обеспечивается в точках минимума потреб-
ной мощности, при которой согласованием параметров гребного
винта и корпуса достигаются максимальные значения пропульсив-
ного коэффициента т| и КПД пропульсивного комплекса.
Контрактная мощность скорость vK и частота вращения пк
(точка PD на рис. 3.8, б) являются исходными параметрами расчета
гребного винта и винтовой характеристики 1 при полной осадке, чис-
том новом корпусе и нормальных внешних условиях (ветер, волнение
не более 2—3 баллов, глубина под килем не менее 7 осадок). Влияние
эксплуатационных условий, повышающих сопротивление движению
судна (обрастание корпуса или винта, ветроволновые нагрузки), учи-
тывается назначением морского запаса мощности (обычно 15%). При
неизменной .скорости vK — const переход по линии 3 к эксплуатаци-
108
Рис. 3.8. Выбор типа дизеля (а) и
спецификационной мощности (б)
онной мощности (точка SP) на утяжеленной винтовой характеристике
2 сопровождается увеличением частоты вращения и скольжения вин-
та. Для окончательного выбора спецификационной (100%-ной) мощ-
ности (точка МС) дополнительно вводится 10%-ная надбавка
к эксплуатационной мощности (запас на ухудшение техниче-
ского состояния дизеля в эксплуатации).
Таким образом, на диаграмме ограничения нагрузок дизеля
(рис. 3.9) получаем точку Ь, параметры которой соответствуют
спецификационным параметрам дизеля, устанавливаемого на
судно. Точка b не должна выходить за границы поля диаграм-
мы спецификационных режимов. Соответствующие этой
точке значения спецификационной мощности и частоты вра-
щения на диаграмме принимаются за 100%. В обычных усло-
виях при отборе мощности только на винт точка b совпадает с
109
80 90 WO Ч °/o
Рис. 3.9. Диаграмма ограничения нагрузки дизеля МАН — Бурмейстер и Вайн
типа МС:
1 — винтовая эксплуатационная характеристика; 2 — при ре - 105 +110 %; 3 — ограничение
частоты вращения п = 105 %; 4, 5, 7— линии рабочей ограничительной характеристики;
6 — винтовые характеристики для чистого корпуса; 8 — ограничение перегрузочных ре-
жимов
точкой л, при совместной работе на винт и валогенератор ха-
рактеристика винта в эксплуатационных условиях располага-
ется правее линии /, а точка Ь смещается вправо по линии 7
(на рисунке не показано).
3.3. ВЛИЯНИЕ ГЛАВНОЙ ПЕРЕДАЧИ НА ЭКОНОМИЧНОСТЬ СЭУ
Передача мощности главных двигателей на винт как элемент
пропульсивного комплекса характеризуется своим значением
КПД т|пгд = N3/Nev^ и таким образом оказывает влияние на КПД
пропульсивного комплекса и КПД установки. Выбор типа пере-
дачи определяется назначением судна и типом главного двигате-
ля. Наиболее распространена прямая передача с малооборотны-
ми главными двигателями, отвечающая требованиям высокой
надежности и экономичности. Потери на трение в упорном,
дейдвудном и опорных подшипниках валопровода двп не превы-
шают 1,5% и т)пгд “ ~ (7вп = 0,985 -г 0,995. Прямая передача
ПО
также характеризуется малыми затратами на обслуживание и
смазывание подшипников. Выше отмечалось, что применение
длинноходных дизелей с прямой передачей и пониженной часто-
той вращения способствует повышению КПД винта т|р и про-
пульсивного коэффициента ц.
На ролкерах, контейнеровозах и других судах с ограниченной
осадкой и высотой машинного отделения в качестве главных двига-
телей используют среднеоборотные дизели, работающие на винт че-
рез понижающий редуктор. Редукторная передача снабжается разоб-
щительными муфтами, допускающими работу СЭУ на парциаль-
ных режимах. В редукторной передаче наряду с потерями на трение
в подшипниках валопровода имеются дополнительные потери на
трение в зацеплении колес и подшипниках редуктора (2,5—3%).
Потери в муфтах сцепления дизеля с редуктором зависят от
типа муфты. Применяют жесткие механические муфты и гидро-
динамические муфты скольжения. Жесткая муфта работает без
скольжения, мощность дизеля NBX полностью передается редук-
тору. В гидродинамической муфте в контуре циркуляции жидко-
сти (обычно масло) в роторах насоса и турбины возникают спе-
цифические гидродинамические потери энергии, обусловли-
вающие скольжение валов и снижение частоты вращения на вы-
ходе ивых по сравнению с частотой вращения на входе лвх. По-
скольку характерной особенностью муфты является передача
подводимого момента без изменения, т. е. Мвх = Мвых, то сколь-
жение вызывает снижение мощности на выходе ^ых и КПД
муфты определяется отношением частот вращения
_ ^вых _ ^вых^вых _ ^вых
^муф ~ N ~~ М п ~ п
2’вх вхвх вх
Скольжение муфты 5 = (лвх — лВых)/пвх “ 1 “ Лмуф также яв-
ляется мерой потерь энергии в муфте <7муф и необходимым усло-
вием ее работы. Без скольжения нет и передачи момента. На ста-
ционарных режимах гидродинамическая муфта работает со
скольжением 5 = 2,5 + 3% и соответственно ее КПД Пмуф = 1 _
- 5 = 97 97,5%.
С учетом потерь энергии в подшипниках валопровода, редук-
торе и муфтах скольжения общие потери в главной гидрозубча-
той передаче возрастают до 5 — 5,5%, а ее КПД т|пгд = 1 — (#вп +
+ £Ред + £Муф) не превышает 95%.
С введением редуктора и муфт усложняется конструкция пе-
редачи и возрастают затраты энергии на смазывание редуктора,
подачу и охлаждение масла, циркулирующего в насосном и тур-
111
бинном колесах гидромуфты. В формулах КПД установки они
учитываются сомножителем 1 ~ (У + 2) как дополнительные
затраты энергии на вспомогательное потребление.
Гидродинамические муфты являются весьма надежным уст-
ройством сцепления валов дизеля и редуктора и работают без
срыва подводимого момента при скольжении до 100% включи-
тельно. Эти свойства муфты важны для энергоустановок судов
ледового плавания с точки зрения обеспечения необходимых ма-
невренных качеств и защиты двигателей и редуктора от ударов
винта о лед. Благодаря скольжению, достигающему во льдах
30% и более, муфта демпфирует динамические нагрузки на вало-
провод, редуктор и дизель. Но, как отмечалось, при плавании в
свободной воде скольжение 2,5—3% является причиной сниже-
ния КПД передачи. В главной передаче СДЭУ арктических
транспортных судов типа СА-15 (рис. 3.10) эти потери устра-
няются использованием дополнительной жесткой муфты сцепле-
ния, работающей без скольжения и включаемой при плавании в
свободной воде.
Рис. 3.10. Гидрозубчатая передача энергетической установки судна типа "Но-
рильск":
1 — жесткая муфта; 2 — редуктор; 3 — главный дизель; 4 — механизм изменения шага ВРШ;
5 — соединительная полумуфта; 6 — гидродинамическая муфта
112
Таким образом, в гидрозубчатой редукторной передаче с дву-
мя типами муфт имеется возможность в эксплуатации влиять на
КПД передачи и экономичность работы установки (см. п. 2.4).
Некоторый выигрыш в экономичности СЭУ с редукторной
передачей обеспечивается также пониженной частотой враще-
ния гребного винта и оптимальным согласованием его характе-
ристик с параметрами двигателей и корпуса судна. Известны, на-
пример, уникальные СЭУ углерудовозов, где два малооборотных
дизеля через суммирующий редуктор передают мощность на
винт при частоте вращения 45—50 об/мин.
Для ледоколов, а также судов ледового плавания опреде-
ляющее значение при выборе главной передачи имеют манев-
ренные качества, быстрота и надежность реверсирования, высо-
кие тяговые свойства — способность преодолевать повышенные
сопротивления винта и обеспечивать достаточную мощность
при пониженной частоте вращения винта.
Как отмечалось в гл. 1, требованиям обеспечения высокой ма-
невренности СЭУ наилучшим образом отвечают электрические пе-
редачи постоянного тока. Однако при работе на постоянном токе
потери энергии в главных генераторах, кабелях и гребных электро-
двигателях достигают 15—20% мощности главных двигателей и
КПД передачи не превышает 85%. Это обстоятельство существенно
снижает КПД энергетических установок ледоколов и автономность
их работы без пополнения запасов топлива. В последнее время бла-
годаря силовой полупроводниковой технике достигнут определен-
ный прогресс в отношении повышения КПД электрических пере-
дач. Для уменьшения потерь энергии и сохранения высоких манев-
ренных качеств в электропередачах используют двойной род тока:
главные генераторы вырабатывают переменный ток, преобразуе-
мый в постоянный для питания гребных электродвигателей посто-
янного тока. КПД электропередач на двойном токе повышается до
90—92%. Наконец, применение электронных систем частотного ав-
томатического регулирования мощности гребных электродвигателей
позволило полностью перейти на переменный ток, что существен-
но понижает стоимость передачи, упрощает обслуживание и позво-
ляет обеспечить КПД электрических передач (до 94—95%).
3.4. УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ ГЛАВНЫХ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ
ДИЗЕЛЕЙ
Улучшение экономичности СЭУ путем воздействия на КПД
т|егд, т|пгд, пропульсивный коэффициент ц, как показано в п. 3.2,
определяется совершенствованием главных дизелей, главных пе-
редач, характеристик винта и корпуса. Другие возможности по-
вышения КПД СЭУ связываются с развитием систем утилизации
113
тепловых потерь и экономичных способов привода вспомога-
тельных механизмов. Оба эти направления позволяют уменьшить
расходы энергии на вспомогательное потребление и в выражениях
КПД СЭУ учитываются сомножителем Х = 1 — (У + Z). Если
получаемая в утилизационном контуре энергия достаточна
для полного удовлетворения собственных нужд, то на ходо-
вом режиме исключаются прямые расходы топлива на вспо-
могательные двигатели и вспомогательные котлы, т. е. У = О,
Z=0, X = 1. КПД установки достигает максимального
значения Цутах ~ ^егдЛпгд, а обобщенный КПД СЭУ равен
КПД пропульсивного комплекса Лобщ = Лпрк ” Легд'Ппгд'П-
В судовых дизельных установках часть теплоты выпускных га-
зов главных дизелей обычно отбирается в утилизационном котле и
преобразуется в водяной пар давлением 0,5—1,0 МПа. В зависи-
мости от степени охлаждения газов и способа использования пара
различают схемы частичной и глубокой утилизации теплоты выпу-
скных газов. Рассмотрим эти схемы подробнее.
Схема I. Замещение вспомогательного котла утилизацион-
ным. Это наиболее простая схема частичной утилизации теп-
лоты выпускных газов (рис. 3.11). Пар, вырабатываемый утилиза-
ционным котлом во время хода судна, направляется в системы по-
догрева топлива, масла, воды, калориферного, парового отопления
и на другие нужды. Теплота выпускных газов главных дизелей
преобразуется в энергию пара, используемого для теплоснабже-
ния. Такое однородное преобразование энергии характеризуется
Рис. 3.11. Принципиальная
схема утилизационной уста-
новки теплохода "Герои-пан-
филовцы":
1 — сепаратор пара; 2 — утилизаци-
онный котел КУП 165/7; 3 — сер-
водвигатель с золотником; 4 — ре-
дукционный клапан с дроссельной
шайбой; 5 — вспомогательный ко-
тел КАВ 1,6/7; 6 — водоопресни-
тельная установка Д5У; 7 — теплый
ящик; 8, 9, 10 — конденсатный, пи-
тательный и циркуляционный насо-
сы; 11 — регулировочный клапан;
12 — охладитель конденсатора; А —
к реле давления; Б — к потребите-
лям пара; В — в систему паротуше-
ния; Г — в систему подогрева мас-
ла, топлива, воды; Д — выход и
вход греющей воды
114
Рис. 3.12. Температурные напоры в утилизационном котле при одном (а) и двух
(б) уровнях давления пара:
1 — газы; 2 — пар; 3 — питательная вода; Л II — испарительные поверхности; III, IV — эко-
номайзеры
малыми потерями в утилизационном котле и теплообменниках. В
утилизационном котле происходит обычный теплообмен между газа-
ми и пароводяной смесью (рис. 3.12). Незначительная часть теплоты
газов (3—4%) передается через стенки наружной обшивки котла в ат-
мосферу и КПД утилизационного котла т|ук = 0,96 -г 0,97. В котле с
байпасным газопроводом г|ук — 0,9 + 0,92, так как дополнительно те-
ряется 3—4% энергии газов из-за протечек через неплотности газовой
заслонки.
Утилизационный котел вводится в действие открытием
газовой заслонки и пуском циркуляционного насоса обычно
с выходом на режим полного хода (Ne > 50%). Вырабатывае-
мого пара обычно достаточно для удовлетворения всех теп-
ловых потребностей. В условиях полного замещения вспомога-
тельного котла необходимая паропроизводительность достига-
ется при температуре уходящих газов Твых*, превышающей ми-
нимально допустимую Tmin = (160 -г 180) + 273 К, при кото-
рой гарантируется отсутствие кислотной коррозии поверхно-
стей нагрева.
Иначе говоря, в схеме I используется только часть распо-
лагаемой теплоты газов, поэтому она и называется системой
частичной утилизации. Исключение составляют такие схемы
утилизации на танкерах, судах ледового плавания, где из-за
*В книге приведены две температурные единицы: /, °C — основная практическая
единица и Т, К — единица термодинамической температуры.
115
больших расходов пара стремятся использовать всю распола-
гаемую теплоту газов.
Утилизационные котлы в схеме I отличаются простотой
компоновки, регулирования и обслуживания. Имеются толь-
ко испарительные поверхности нагрева: одна-две секции при
газовом регулировании производительности заслонкой с
байпасным газопроводом, несколько секций при регулирова-
нии производительности изменением поверхности нагрева.
Применяется также регулирование производительности
сбросом излишков пара на атмосферный конденсатор. Насы-
щенный пар из утилизационного котла (см. рис. 3.11, табл.
3.1) направляется в сепаратор пара и далее от общего паро-
провода, соединяющего вспомогательный (табл. 3.2) и ути-
лизационный котлы, отводится к потребителям А—Г.
При мощности главного двигателя 50% и более, когда собствен-
ные нужды установки в паре полностью удовлетворяются, реле давле-
ния через золотник управляет сбросом излишков пара на конденса-
тор. На установившихся режимах при переменных расходах пара по-
стоянство давления поддерживается перепуском пара на конденсатор
через регулировочный клапан. С переходом на режимы работы с по-
Таб л и ца 3.1
Марка котла Площадь поверхнос ти нагрева, м2 Паропроизводи- тельность, т/ч Рабочее давление, МПа
КУП 1500 1600 10 0,75
КУП 1100 1158 8 0,7
КУП 660 654 4,3 0,7
КУП 700-1 712 4,5 0,1
КУП 165 160 2,1 0,7
КУП 170 175 2,5 0,5
КУП 160 159 2,0 0,5
КУП 150 150 1,8 0,8
КУП 130 130 2,0 0,5
КУП по 108 1,3 0,5
КУП 100 НО 1,0 0,5
КУП 90 82 1,2 0,5
КУП 70 69 0,8 0,5
КУП 50 53 0,5 0,5
Примечание. Все котлы водотрубные, за исключением КУП 160, 150, НО, 70
— змеевиковые; КУП 700-1 — с пароперегревателем; КУП 50, 130 — с газоперепускным
устройством; КУП 660, 1100 — с пароперегревателем и экономайзером; КУП 90, 170 — с
газоперепускным устройством и искроуловителем; КУП 1500 — с оребренными трубка-
ми, пароперегревателем и экономайзером; КУП 165 — с многократной принудительной
циркуляцией и газорегулирующим устройством; КУП 70 — двухколлекторный; КУП ПО
— двухколлекторный с газоперепускным устройством.
116
Таблица 3.2
Марка
котла
Габаритные раз-
меры, мм
Паропро-
изводи-
тсльность,
т/ч
Расход
топлива/
воздуха,
кг/ч
КАВ 1,0/5 2350 х 2270 х 3575
КАВ 1,0/7
КАВ 1,6/7 2760 х 2780 х 3772
КАВ 2,5/7 3100 х 3050 х 4272
1,0
1,6
2,5
180/0,4
120/0,6
190/1,0
Мощ-
ность об-
служи-
вающих
механиз-
мов, кВт
6,9
7,4
10,5
Масса в
сухом/ра-
бочем сос-
тояниях, т
5,8/6,6
6,4/7,5
10/12
КПД, %
“80
83
83
Примечания. 1. Котлы автоматизированные водотрубные с естественной
циркуляцией. Марки используемого топлива ДМ, ДТ, ДС, Л, С, ТЛ. 2. Рабочее (номи-
нальное) давление пара 0,5 — 0,7 МПа; влажность насыщенного пара не более 1%; рас-
ход пара на подогрев и распиливание топлива 26 кг/ч; температура газов на выходе из
котла 300°С.
ниженной мощностью (Ne < 50%) в действие вводится вспомогатель-
ный автоматизированный котел, циркуляционные насосы останавли-
ваются и утилизационный котел отключается.
При эксплуатации утилизационные котлы подвержены значи-
тельным загрязнениям поверхности нагрева со стороны газов.
Отложения частиц неполного сгорания топлива и масла особен-
но интенсивно происходят на режимах малого хода. В результа-
те возникает опасность возгорания осадков и взрывов паров. От-
сюда ограничения на длительность режимов малого хода и целе-
сообразность перепуска газа по байпасному газопроводу, помимо
котла. Для очистки поверхностей нагрева применяют сажеобдув-
ку влажным паром и сжатым воздухом. Ухудшение теплообмена
в эксплуатационных условиях учитывают в расчете температур-
ного напора и компенсируют некоторым увеличением поверхно-
сти нагрева утилизационного котла.
Схема II. Замещение вспомогательных дизелей утилизационным
турбогенератором. Ограниченные возможности утилизации теп-
лоты выпускных газов в схеме I, обусловленные умеренными
расходами пара на вспомогательные нужды, устраняются в схе-
мах глубокой утилизации. Основная часть пара, вырабатываемого
утилизационным котлом, используется в утилизационной паро-
турбинной установке, работающей по циклу Ренкина. Тепловая
энергия выпускных газов в турбогенераторе преобразуется в
электрическую и расходуется на привод вспомогательных меха-
низмов, освещение и другие потребители. Такое преобразование
тепловой энергии из-за низкого КПД паросилового цикла (до
17—20%) требует больших расходов пара, а следовательно, и по-
вышенной паропроизводительности утилизационного котла. Для
117
Таблица 3.3
Показатель
Давление пара перед соплами, МПа
Температура пара, °C
Удельный расход пара, кг/(кВт ♦ ч)
Давление пара на выходе из последней
ступени, МПа
Масса, т
ТГУ-500
0,65
250
7,9
0,0061
Т ГУ-800
0,65
250
8,08
0,0062
ТГУ-1000
1,1
310
6,82
0,0065
удовлетворения вспомогательных нужд установки в тепловой и
электрической энергии в котле отнимается ^/3—^/4 располагае-
мой теплоты выпускных газов, что и характеризует схему II как
схему глубокой утилизации.
Утилизация здесь условно рассматривается только в рамках
использования пара в паротурбинной установке. В энергоуста-
новках повышенной мощности (Ne > 10 тыс. кВт) на режимах
полного хода турбогенератор обычно обеспечивает полностью
потребности установки в электроэнергии, т. е. выполняются ус-
ловия полного замещения вспомогательных дизель-генераторов.
Возможно и частичное замещение, когда энергоснабжение
обеспечивается при совместной работе дизель-генераторов и тур-
богенератора. Согласованные решения принимаются на основа-
нии расчетов системы утилизации и выбора типовых турбогене-
раторов (табл. 3.3).
В системе глубокой утилизации существенно усложняется
конструкция утилизационного котла и возрастают его габари-
ты. В связи с развитием поверхностей нагрева применяют пря-
моугольную компоновку корпуса, в которой размещаются ис-
парительные секции, пароперегреватель и экономайзер (рис.
3.13). Схема паросилового цикла (рис. 3.14) дополняется обору-
дованием турбогенератора: вакуумным конденсатором, эжекто-
ром, конденсатным насосом.
Предусматривается автоматическое регулирование паропро-
изводительности и ввода в действие вспомогательных дизель-
генераторов при изменении режимов работы или внезапной ос-
тановке главных двигателей. Обычно предусматривается и от-
бор насыщенного пара на хозяйственно-бытовые нужды, по-
догрев топлива, масла, поэтому далее рассмотрим общую схему
глубокой утилизации.
118
Рис. 3.13. Схема поверхностей нагрева утили-
зационного котла:
А, Г, Е— вход соответственно воды, насыщенного пара,
газов; Б, Д— выход соответственно влажного пара в се-
паратор и перегретого пара; В — подача пара при ава-
рийном режиме
Рис. 3.14. Схема
глубокой утилиза-
ции теплоты дизе-
ля Зульцер RTA:
1 — утилизационный
котел; 2 — сепаратор
пара; 5, 12 — циркуля-
ционные насосы; 4 —
турбогенератор; 5 —
конденсатор; 6 —
эжектор; 7, 10, 13 —
насосы конденсатный,
питательный, забор-
тной воды; 8 — вакуум-
ный деаэратор; 9 — те-
плый ящик; 11 — по-
догреватель горячей
воды; 14 — трехсек-
ционный воздухоох-
ладитель; А — к по-
требителям насы-
щенного пара
Схема III Замещение вспомогательного котла и вспомогатель-
ных дизель-генераторов. Полное обеспечение вспомогательных
потребностей установки и судна в тепловой и электрической
энергии позволяет во время хода расходовать топливо только на
главные дизели (%- 1) и получить максимум КПД
Путах “ ПегдПпгд-
Условие полного замещения удовлетворяется в установке
большой мощности с относительно малыми расходами энергии
119
Рис. 3.15. Схема глубокой
утилизации теплоты с вало-
тур бо ге н ераторо м:
7 — воздушный экономайзер в
воздухоохладителе главного дизе-
ля; 2 ~ главный дизель; 3 ~ ре-
дуктор; 4 — гидромеханический
редуктор-стабилизатор; 5 — тур-
богенератор; 6 — утилизацион-
ный котел; 7— сепаратор пара
низкого давления для последней
ступени УГГ; 8 — сепаратор па-
ра среднего давления для общих
нужд; 9 — вспомогательный ко-
тел; А, Б — входы газа и воздуха
на вспомогательное потребление. Реализации полного замещения
способствует и утилизация теплоты наддувочного воздуха, используе-
мого для подогрева питательной воды котлов и получения горячей во-
ды для бытовых нужд. Типовая схема утилизации тепловых потерь
выпускных газов и наддувочного воздуха приведена на рис. 3.14.
По сравнению с обычными схемами глубокой утилизации та-
кая схема усложняется применением трехсекционного воздухоох-
ладителя (воздушного экономайзера) и вакуумного деаэратора
для лучшего удаления воздуха из питательной воды.
Заметим, что в схеме III при полном обеспечении вспомога-
тельных нужд способы воздействия на КПД установки средства-
ми утилизации теплоты отработавших газов исчерпаны. Тем не
менее в мощных установках с форсированными четырехтактными
дизелями мощность утилизационного турбогенератора может пре-
вышать потребности в электроэнергии в 2—3 раза. Применение в
этом случае утилизационного валотурбогенератора, механически
связанного с главной передачей, позволяет передать избы-
точную мощность на винт и повысить КПД главных дизелей и
всей установки. Эта особенность и является отличительным при-
знаком системы глубокой утилизации по схеме IV (рис. 3.15).
Схема IV. Совместная работа валотурбогенератора с главными
дизелями на винт. В этой схеме полностью реализуется схема III.
В зависимости от типа винта валотурбогенератор связывается с
редуктором главной передачи через обычный редуктор (при ра-
боте на ВРШ в режиме п = const) или через редуктор с гидроста-
тическим приводом, обеспечивающим условие п = const в области
режимов полного хода (при работе на винт постоянного шага). Та-
ким образом, избыток мощности турбогенератора передается на
винт, а ее недостаток, наоборот, покрывается отбором мощности
120
от главной передачи (показано стрелками на рис. 3.15). При этом
стабилизируется частота вращения турбогенератора и повышается
надежность энергоснабжения на переменных режимах. Для по-
лучения возможно большей избыточной мощности используют
воздушный экономайзер для подогрева питательной воды и преду-
сматривают возможность дополнительного отбора теплоты выпу-
скных газов путем генерирования пара низкого давления, направ-
ленного в последнюю ступень турбины турбогенератора.
Утилизация с использованием валотурбогенератора позволяет
превзойти первый максимум КПД энергетической установки и
пропульсивного комплекса вследствие повышения КПД главных
дизелей. Действительно, при Х= 1 получаем цу = т|пк = Пегд'Ппгд,
где новый КПД главных двигателей т^гд связан с относитель-
ной избыточной мощностью турбогенератора 8изб = А^/А^д от-
ношением Легд = г1егд/(1 ” ^изб)- Следовательно,
1 1
rlymax2 ЛетдПпгд 1 я ~ Лушах 11 -5 •
1 изб л 1 изб
Отношение 1/(1 — 8изб) является мерой повышений КПД
главного дизеля и установки.
Схема V. Применение дизелей с турбокомпаундными системами и
валогенераторами. С применением высокоэкономичных главных
дизелей с низкой температурой выпускных газов (250—270°С) реа-
лизация схем глубокой утилизации с турбогенераторами сущест-
венно затрудняется. Использование теплоты газов в утилизаци-
онном котле возможно лишь по схеме I для подогрева воды, топ-
лива, масла. Электроэнергия во время хода вырабатывается вало-
генераторами главных дизелей, а при эффективных агрегатах
наддува часть энергии газов (до 10%) утилизируется в силовой
турбине.
В схеме V, таким образом, утилизационный котел работает на
замещение вспомогательного котла, а утилизационная турбина
отдает мощность на винт или совместно с валогенератором удов-
летворяет потребность установки в электроэнергии. Система со-
стоит из механизмов отбора мощности и подвода мощности, что
позволяет рационально сочетать простые схемы утилизации с
высокой топливной экономичностью и малыми затратами на
техническое обслуживание. КПД установки повышается вследст-
вие совместного воздействия на эффективный КПД главного ди-
зеля и снижения расходов на вспомогательное потребление.
В последнее время проявляется и некоторый интерес к утили-
зации теплоты выпускных газов вспомогательных дизелей. В ос-
121
новном здесь преследуется цель обеспечить теплоснабжение ус-
тановки и судна в период стоянки без ввода в действие вспомо-
гательного котла. Однако достаточное количество получаемой от
утилизации теплоты удается получить в установках с большими
энергетическими затратами на обслуживание груза: прежде все-
го на рефрижераторных судах, где расходы топлива на вспомога-
тельные дизель-генераторы составляют 20—25% общих расходов
топлива на установку.
Теплота выпускных газов преобразуется в утилизационных
котлах в пар низкого давления, который и используется в качест-
ве греющей среды в водоподогревателях, системе калориферно-
го отопления, сепараторах топлива и масла.
Соображения о режимах охлаждения газа до температуры не
ниже 150°С, при которой исключается кислотная коррозия тру-
бок, в полной мере относятся и к утилизационным котлам вспо-
могательных дизелей.
3.5. РАСПОЛАГАЕМАЯ ТЕПЛОТА ВЫПУСКНЫХ ГАЗОВ
Выявление энергетических возможностей схем утилизации ос-
новано на сопоставлении располагаемой теплоты выпускных га-
зов с ее использованием для удовлетворения собственных нужд
установки в тепловой и электрической энергии. Используемая
теплота газов определяется из условий замещения вспомогатель-
ных котлов и двигателей (см. далее).
Дадим оценку значению располагаемой теплоты газов и рас-
смотрим влияющие на нее факторы. Под располагаемой теплотой
выпускных газов понимается максимальная теплота, которую
можно отнять от газов в утилизационном котле при их охлажде-
нии до минимально допустимой температуры Trmjn, ис-
ключающей коррозию поверхностей нагрева.
При известном расходе газов Gr, кг/ч, общая располагаемая
теплота определяется разностью энтальпий газа на входе и
выходе из котла 0р = Gr(zBX — /вых), а ее удельное значение,
кДж/кг,
— Qp/^г — *вх ~ гвых-
Пренебрегая незначительным различием теплоемкости газа Ср
при его температурах на входе Ггвх и выходе ТГ вых для расчета
располагаемой теплоты получаем выражение
Д/р “ Ц)(7г.ВХ ” ^г.вых)-
122
Рис. 3.16. Зависимость теплоемкости Ср
и постоянной к = Cp/Cv от температу-
ры воздуха (7) и выпускных газов (2)
Здесь в диапазоне рабочих
-г 1,08 кДж/(кг • °C), а по определению располагаемой теплоты
г. вых
min (Рис- 3.16).
Таким образом, определение располагаемой теплоты газов сводит-
ся к нахождению температур на входе и выходе. Минимальная темпе-
ратура газов на выходе Trmin ограничивается по соображениям недо-
пустимости сернистой коррозии хвостовых поверхностей теплообмена
утилизационного котла, а следовательно, должна быть выше темпера-
туры точки росы 7^р. В противном случае образующиеся от сгорания
топлива окислы серы S + О2 SO2, 2SO2 + О —> 2SO3, соединяясь с
парами воды SO3 + Н2О -> H2SO4, осаждаются на трубах в ввде сер-
ной кислоты и вызывают их интенсивную сернистую коррозию.
Температура точки росы находится в сложной зависимости от
парциального давления содержащихся в газах водяных паров и
наличия серы в топливе (рис. 3,17):
Ттр = гк + 273 + 98,5s1/3,
где tK — температура конденсации водяного пара при его парциальном
давлении в выпускных газах (например, при парциальном давлении
Рн о ~ 0,005 МПа tK = 40°С); S — содержание серы в топливе, %.
Рис. 3.17. Зависимость точки росы га-
зов от содержания серы в топливе
123
Из формулы следует, что на температуру точки росы влияют
влажность воздуха, наличие в топливе воды и особенно серы.
При плавании в тропиках относительная влажность воздуха по-
вышается до 100%, парциальное давление — до 0,05 МПа и тем-
пература конденсации — до 60°С. Вода в топливе не допускается
и при его возможном обводнении отделяется в сепараторе. Ис-
ключение составляет работа на водотопливных эмульсиях, когда
содержание воды в топливе может достигать 15—20%. Содержа-
ние серы определяется сортами топлива (для высокосернистых
топлив оно составляет 3—4%).
Таким образом, плавание в тропических районах и работа глав-
ных двигателей на сернистом топливе вызывают повышение тем-
пературы точки росы и уменьшение располагаемой теплоты газов.
Влияние внешних условий учитывается введением гарантирован-
ного запаса ДГ = 20 + 25°С к расчетной температуре Гтр, и мини-
мальная температура находится из условия Тг mjn = Ттр + ДЛ
Ориентировочные значения Тг min составляют 443—448 К
(170—175°С), и Trmin возрастает до 463—473 К (190—200°С) при ра-
боте главных двигателей на высокосернистом топливе (S = 4 + 5%).
Рассмотренные соотношения по -определению минимальной
температуры газа на выходе Тг вых = Тг mjn прежде всего имеют
значение для утилизационных котлов в системах глубокой утили-
зации, где (как следует из графика, см. рис. 3.12) кислотной
коррозии может подвергаться хвостовая поверхность нагрева, об-
разованная трубками экономайзера.
В котлах без экономайзера условие Тг mjn > Ттр удовлетворя-
ется выбором рабочего давления пара, температура газа на вы-
ходе
Тгвых “ + 273 4- Д/3 + Д(э(Ь, (3.1)
1 .ВЫЛ П □ JVp? '
где /н — температура насыщенного пара при его рабочем давлении рн;
Д/3 — возможное повышение температуры поверхности нагрева из-за на-
ружных загрязнений; А/Эф — минимальный температурный напор меж-
ду стенкой и газом, обеспечивающий эффективный теплообмен
(ДГэф = 15 + 20).
В расчетах обычно принимается + А^ф > 25°С. Из отноше-
ния (3.1) очевидна связь температуры Тгвых, а следовательно, и
располагаемой теплоты газов с давлением пара. С повышением
давления рп возрастают температуры пара /н, стенки /ст ~ /н и газа
на выходе, эффективность теплообмена снижается и располагае-
мая теплота выпускных газов уменьшается. Например, из равенст-
ва (3.1) при рп = 0,35 МПа и /н = 135°С имеем 7ГВЫХ = 155 + 273+
124
+ 25 = 433 К, а при рн = 0,7 МПа, /н = 170°С Тг вых возрастает до
468 К.
Этим обстоятельством, в частности, объясняется применение
двух уровней давления пара в утилизационных котлах систем глубо-
кой утилизации (см. рис. 3.12, б). Повышенное давление
(/?н = 0,7 4- 1,0 МПа) пара, подаваемого в первые ступени турбины,
совместно с перегревом его повышает КПД турбины, а понижен-
ное давление (рн = 0,4 -г 0,5 МПа) позволяет использовать всю рас-
полагаемую теплоту газа и тем самым увеличить мощность турбоге-
нератора и выход пара в системы подогрева топлива, масла и воды.
Увеличению паропроизводительности утилизационного котла
способствует повышение температуры питательной воды в воз-
душном экономайзере (см. рис. 3.14).
Опасность коррозии утилизационного котла в эксплуатации
реально возникает при работе главных дизелей на режимах сред-
него и малого ходов, когда вследствие уменьшения температуры
газа на входе и снижения давления пара температура газа на вы-
ходе может понизиться до температуры точки росы. Во избежа-
ние коррозии такие условия работы утилизационного котла не
допускаются. В действие вводится вспомогательный котел, а ути-
лизационный котел отключается (например, прекращением цирку-
ляции воды или байпасированием газа).
На значение располагаемой теплоты Д/р влияет также температу-
ра газа на входе в утилизационный котел Тг вх. Она зависит от типа
и режима работы главного дизеля. При нагрузках полного хода ори-
ентировочные значения составляют: двухтактные дизели с прямо-
точным газообменом Тгвх — 573 -г 623 К (Zr BX = 300 -г 350°С); двух-
тактные дизели с контурным газообменом Тт вх = 523 573 К
(/гвх = 250 4- 300°С); четырехтактные дизели 7"гвх = 673 4- 723 К
(/гвх = 400 450°С).
В длинноходных двухтактных дизелях /гвх понижается до
230—270°С (рис. 3.18) и возникает проблема использования вы-
пускных газов из-за малой располагаемой теплоты.
Для расчета температуры Тг вх используем соотношения теп-
лового баланса главного дизеля по выпускным газам (рис. 3.19).
Общая относительная потеря теплоты с газами qr определяет-
ся суммой относительной теплоты газов по состоянию за турби-
ной #от и потерь теплоты #во отводимого в воздухоохладителях
наддувочного воздуха в забортную воду: qr = #от + qB0.
Составляющая потерь теплоты дво определяется разностью те-
плоты #тк, используемой в турбокомпрессоре, и теплоты qs, воз-
вращаемой в дизель с наддувочным воздухом, т. е. qBQ = #тк — qs.
125
Rh
Рис. 3.18. Температуры выпускных га-
зов после турбины дизелей МАН —
Бурмейстер и Вайн
Рис. 3.19. Схема теплового баланса
по выпускным газам
Следовательно, общая потеря теплоты с газами qT — q0T + qs
и составляющая относительных потерь теплоты с газами по со-
стоянию за турбиной
(7от Яг Ятк Qs •
(3.2)
Для определения температуры газа за турбиной Тот найдем
удельные значения составляющих тепловых потерь (кДж/кг).
При сгорании 1 кг топлива имеем1:
ч
С?н^7г Фа^^0^р(^т Сн^тк ^р(^от)»
QhQs ~ Фаа^оСр(Т5 — 7q),
где (рд — коэффициент продувки, %; а — коэффициент избытка воздуха;
Lq — теоретическая масса воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топ-
лива, кг; Сп — теплоемкость газа, кДж/(кг* К); Тг — температура газа в
выпускном коллекторе, К; Ts, Го — температура воздуха соответствен-
но в ресивере и на входе в турбокомпрессор, К.
После подстановки в соотношение (3.2) и сокращения темпе-
ратур Тг и Ts для потерь теплоты с газами по состоянию за тур-
биной получим Qh#ot ” ФдаД)Ср(7от “ Л))-
Различием теплоемкостей воздуха и выпускных газов и увеличением мас-
сы газов от сгорания топлива пренебрегаем.
126
Отсюда расчетная формула для температуры газа за турбиной
бн^ОТ
Для двухтактных дизелей с прямоточным и контурным газо-
обменом соответственно = 1,45 ч- 1,55; = 1,55 1,65; для
четырехтактных дизелей с импульсным и изобарным наддувом
соответственно <рд= 1,1 -г 1,3; = 1 -г 1,1; для топлива среднего
состава £0 = 14,3 14,5 кг.
Температура воздуха на входе в компрессор в стандартных ус-
ловиях Тц = 293 К или соответствует опытным значениям тем-
пературы воздуха в машинных отделениях (рис. 3.20).
Составляющая относительных потерь q0T = qr — gBO по состоя-
нию газа за турбиной зависит от степени наддува и типа двигате-
ля: обычных судовых дизелей при умеренном наддуве
(ps = 0,15 -г 0,2 МПа) qT = 0,4 -г 0,45; для длинноходных дизелей
с изобарным наддувом (ps = 0,2 -г 0,3 МПа при высоком значе-
нии pz) qr = 0,3 -г 0,35, при умеренном наддуве qBO — 0,08 0,1,
при повышенном наддуве (ps = 0,2 -р 0,3 МПа) дво = 0,1 0,15,
Для определения температуры газа на входе в утилизационный
котел 7"гвх,следует учесть снижение расчетной температуры 7ОГ из-
за потерь теплоты по длине выпускного тракта (А/ — 1,2 -г 1,5°С)
на 1 м.
Следовательно, температура на входе в утилизационный ко-
тел при определении располагаемой теплоты газов окончательно
примет вид
Г.ВХ ^ОТ ^/7,
где / — длина выпускного тракта от турбокомпрессора до утилизацион-
ного котла, м.
Рис. 3.20. Зависимость температуры воздуха в
машинном отделении от температуры наруж-
ного воздуха
0 -10 0 20
127
Расчетное значение располагаемой теплоты Д/р обычно не-
сколько меньше действительного Д/ол вследствие трудностей вы-
г АА
бора утилизационного котла с оптимальным теплообменом. Воз-
можное снижение величины Д/р учитывается коэффициентом ис-
пользования располагаемой теплоты Еи, т. е. Д/ол = £ИД/П.
Значения колеблются в широких пределах (0,7—0,85), лишь
в утилизационной части комбинированного котла оно может
быть доведена до 0,9.
3.6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМОЙ ТЕПЛОТЫ ВЫПУСКНЫХ ГАЗОВ.
КОЭФФИЦИЕНТЫ ЗАМЕЩЕНИЯ
Необходимая теплота — это теплота, действительно отнимае-
мая от газов в утилизационных котлах и используемая для удов-
летворения нужд установки в паре и в электроэнергии в ходе за-
мещения вспомогательных котлов и вспомогательных дизелей.
Общее Q'H = GT(iBX — /вых) и удельное Д/н = Qзначения
*
необходимой теплоты также определяются разностью энтальпий
газа на входе в утилизационный котел и выходе из него.
Конкретные значения Д/н для рассматриваемых схем утилиза-
ции находим из баланса энергий, получаемых от утилизации теп-
лоты и вырабатываемой вспомогательным котлами и вспомога-
тельными дизелями энергии.
В схеме I (замещение вспомогательных котлов) необходимая
теплота Д/Нг определяется равенством тепловой энергии, выраба-
тываемой утилизационным и вспомогательным котлами:
Byfcij 0 ^ттв) ^7)вк(/о 41в)>
(3.3)
где DyK, DBK — паропроизводительность соответственно утилизационного и
вспомогательного котлов, кг/ч; (/’о — /пв), (/q — /пв) — разности энтальпий
соответственно пара и питательной воды (обычно z'o = /о), кДж/кг; Kz —
коэффициент замещения вспомогательных котлов.
В общем случае Kz < 1; при Kz ~ 1 имеем условия полного за-
мещения, т. е. равенство теплопроизводительности утилизацион-
ного и вспомогательного котлов; при К7 < 1 имеет условия час-
точного замещения.
128
С учетом выражений для КПД утилизационного и вспомога-
тельного котлов:
— DyKUp ~~ *пв) _ ^вк( *0 ~
Лук" «раа£0+1)СгдД/н/^- GBKeHBK >
где QHBK — необходимая теплота вспомогательного котла, Дж.
Равенство (3.3) запишем в виде (<раа£о+ 1)ОгдД/н£Г|уК=Лгбвк0нвк1Г|вк
или, поделив на Gy, введем относительные расходы топлива на глав-
ные двигатели X и вспомогательный котел Z.
Тогда искомое значение необходимой теплоты
а • — ^Г^нвкПвк
(<paaL0+l)AnyK- (34)
Входящие в равенство (3.4) величины известны: Z, (2Нвю Z — из
исходного режима работы установки без утилизации; коэффициенты
<Рд, a — из расчета располагаемой теплоты газов; КПД котлов — из
опытных данных; цвк — 0,7 -г 0,8; т|ук = 0,94 0,98.
Коэффициент замещения Kz определяют из сравнения необходи-
мой и располагаемой теплоты по следующей схеме:
прежде всего проверяют возможность полного замещения вспомо-
гательных котлов; по формуле (3.4) вычисляют максимальное значе-
ние Д/нгтах ПРИ &z ~ 1 и сравнивают со значениями располагаемой
теплоты ^иД/р (если Д/Нппах то выполняются условия полного
замещения);
если Д/ндаах > то находят коэффициент частичного замеще-
ния Kz < 1 из условия использования располагаемой теплоты и соот-
ношения Kz — ^иЛ/р/Д/нгтах, вытекающего из формулы (3.4) при
” ^и^*р-
В схеме II (замещение вспомогательных дизелей) для определения
необходимой теплоты Д/ну используют равенство электроэнергии, вы-
рабатываемой утилизационным турбогенератором и вспомога-
тельными дизелями (по показаниям на главном распредели-
тельном щите): = KyW^ или
Д^тгПптг — ^^евдПпвд’ G-5)
где Ку — коэффициент замещения вспомогательных дизелей; —
эффективные мощности соответственно турбогенератора и вспомогательных
120
5 Зак. 1596 7
дизелей, кВт; Г|птг, т|пвд — соответствующие КПД передачи энергии от пер-
вичных двигателей на ГРЩ (т^ = 0,75 -г 0,8; т|пвд = 0,7 0,8).
С учетом выражений соответственно для эффективного КПД ути-
лизационной установки и КПД вспомогательных дизелей:
• 3600 NeBR • 3600
ПпТУ - «pfla£0 + 1) (7гдД/^ ; - GgaОнвд
равенство (3.5) получит вид
(фаос£д + 1) ^^^нуЛптуПптг ~~ ^у^СнвдПевдЛпвд-
Отсюда расчетная формула для определения необходимой те-
плоты
— ^^нвд^евд^пвд
/ну~ (Ф^А)+1)*ПптуПптг ’
(3.6)
Заметим, что для одинаковых значений X, У, Z в схемах I и II рас-
считанное значение Д/н>, существенно больше Д/нг (в 2—3 раза), что
является следствием низкого КПД утилизационной паротурбинной
установки (rimy = 0,15 -г 0,18), работающей по циклу Ренкина при
низких параметрах пара,
Литу — ЛукЛпЛоеЛгПэ,
где т|ук = 0,94 -г 0,96 — КПД утилизационного котла; т|п = 0,95 — КПД паро-
провода; т|э — КПД эжектора.
Относительный эффективный КПД паровой турбины (равен
0,7-0,72)
NeT • 3600
!>!(/,-/2)’
где /*2 — энтальпии пара соответственно перед и за турбиной при изоэнтро-
пийном расширении.
Коэффициент полезного действия цикла Ренкина (равен
0,28-0,32)
П/ = 01 - /2)/01 - 'пв)>
где /пв — энтальпия питательной воды.
Для повышения термического КПД цикла используют перегретый
пар (Zj = 200 -г- 220°С) и работу турбины на вакуум (j>2 = 5 кПа).
ВО
Условия полного замещения (Ку — 1) здесь реализуются труднее,
но рассматриваются по той же схеме путем сопоставления необходи-
мой теплоты с располагаемой:
если при Ку ~ 1 определяемая по формуле (3.6) А/Нутах §иА*р, то
возможно полное замещение;
если Д/Нутах > ^иД*р> то коэффициент замещения Ку < 1 находим
из соотношения Ку = ^HAZp/AzHjmax, т- е- в предположении использо-
вания располагаемой теплоты газов.
В схеме III (замещение вспомогательных котлов и вспомога-
тельных дизелей) необходимая теплота AzH7v определяется
суммой
Д^н^и “ -^A^Hzmax + ^А^нутах? (3-7)
где Д/щтах, Данутах — соответствующие значения необходимой теплоты по ус-
ловиям полного замещения в схемах I и II.
Для определения коэффициентов Kz и Ку в схеме III, как и ранее,
проводим сопоставление А/н^ с располагаемой теплотой:
если при Kz = 1 и Ку = 1 получаем Д/н^тах < ^HAzp, то имеем усло-
вия полного замещения;
если Д/н^тах > то наД° решать задачу выбора коэффициентов
замещения при условии использования располагаемой теплоты, т. е.
равенство (3.7) записываем в виде
^иД/р — ^Д^н^пах + ^A4iymax- (3.8)
Одно уравнение с двумя неизвестными не позволяет найти оба
коэффициента Kz и Ку, требуется анализ системы утилизации по су-
ществу. Обычно принимается Kz = 1, тогда другой коэффициент оп-
ределяем из равенства (3.8).
Схема IV представляет собой дальнейшее развитие схемы III, при-
меняют ее в высокомощных установках с форсированными четырех-
тактными дизелями. Ее отличительная особенность состоит в пере-
даче избыточной мощности утилизационного турбогенератора на винт
в условиях полного замещения вспомогательных котлов и дизелей.
Следовательно, реализация схемы IV возможна, если располагаемая
теплота ^ИА^ больше используемой в схеме III, т. е. ^иА/р > Дятлах-
Тогда исходим из условия, что в утилизационном котле срабатывается
вся располагаемая теплота 5,иД/р, а ее часть, определяемая разностью
(Е>иЛ/р — Д/н^тпах) ВДет на получение избыточной мощности турбоге-
нератора. 7Уизб (ф^осДд + 1)(7Гд(!^иА/р А^н^утах)Лпту * 1/3600.
Целесообразность использования избыточной мощности в систе-
ш
ме утилизации по схеме IV (на расчетном режиме полного хода) уста-
навливается из соотношения избыточной мощности с мощностью
вспомогательных двигателей:
^изб __ + 1)^(^и^р у^н^утах^пту
^евд
1 + 1,5.
3.7. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ В УСТАНОВКАХ С ВЫСОКОЭКОНОМИЧНЫМИ
ГЛАВНЫМИ ДИЗЕЛЯМИ (ТУРБОКОМПАУНДНЫМИ СИСТЕМАМИ И
ВАЛ ©ГЕНЕРАТОРАМИ)
Понятия располагаемой и используемой энергии могут быть рас-
пространены и на схему V, где, кроме замещения вспомогательного
котла утилизационным по схеме I, предусматривается отбор выпуск-
ных газов главного дизеля на утилизационную силовую турбину и от-
бор мощности на валогенератор (рис. 3.21).
Под располагаемой энергией силовой турбины понимается та возмож-
ная энергия газов, которая может быть подведена к силовой турбине
в единицу времени при условии обеспечения нормального воздухо-
снабжения главного дизеля (при расчетных параметрах наддува и из-
бытка воздуха для сгорания), кВт:
Ест — СстЯст/1000,
vl 7
где — расход газа через силовую турбину, кг/с; Яст — удельная адиабат-
ная работа расширения газа, Дж/кг.
Массовый расход газа, отводимого на силовую турбину, при
т]тк > 0,68 может составлять 8—10 % общего расхода, или его относи-
тельное значение
£ст= <7СТ/<7Г = 0,08 -Н 0,1.
Для определения gCT используем выражение энергетическо-
го баланса наддувочного турбокомпрессора с отбором газа на
силовую турбину
(I &т)Р^гПт
(3.9)
ад.к>
откуда с учетом выражения цтк = г|тг|адж имеем
Яст “ 1 "" н Вп
Тн *тк
132
3
Рис. 3.21. Компоновка системы турбокомпаунд и валогенератора на
дизеле МАН — Бурмейстер и Вайн типа МС:
1 — силовая утилизационная турбина; 2 — редуктор; 3 — генератор
Коэффициент Р учитывает увеличение массового расхода газа по
сравнению с расходом воздуха: р = (фдОсД) + 1)/(срйос£о).
Адиабатный напор компрессора при степени повышения дав-
ления лк = Рк/Р& газовой постоянной R = 288,4 Дж/кг и показа-
теле адиабаты к - 1,4 кДж/кг:
Як = TT\RT'o (к(к*1)/А- 1) = 1,ОО5Г'о(4*'1)/Л-1 )•
133
Адиабатный напор турбины турбокомпрессора при степени
понижения давления лт = (0,85 + 0,9)лк и — 1,34 кДж/кг:
~ J Щ (1 l)/^i ) — 1 >13(1 ~ ^(к- \}/кх )•
Массовый расход газа на силовую турбину (кг/с) при расходе топ-
лива на главный дизель Сггд, кг/ч,
^ст 5ст^г &Т.(фд®^0 1 )( Сцц)/3600.
При равенстве напоров Нт и Нсг мощность силовой турби-
ны, отдаваемая на вал дизеля, с учетом КПД турбины со встро-
енным редуктором г|ст = 0,7 -г 0,75 КПД муфты скольжения
Пм.ст = 0,97-0,98 и КПД передачи на вал дизеля
Лп.ст ~ 0,97 — 0,98 находим из выражения
^ст ^стЛстПм.стПп
.ст*
В дальнейшем при оценке экономичности СЭУ с турбокомпаунд-
ной системой используем отношение мощности к индикаторной
мощности дизеля Л^гд, т. е. 8СТ — Уст/^Чтд, которое также приводится
к виду
°ст “ On
^нгд'чгд
Рассмотрим далее условия замещения вспомогательных дизелей.
Для большинства дизельных установок электроэнергия во время хода
судна вырабатывается автономными вспомогательными дизель-гене-
раторами. Высокое качество тока, надежность независимого электро-
питания, удобство резервирования и обслуживания являются основ-
ными преимуществами автономного привода генераторов. Известны и
его недостатки: низкий КПД, сравнительно высокая стоимость экс-
плуатации вследствие применения более дорогого средневязкого топ-
лива и повышенных расходов масла, затрат на обслуживание и ре-
монт дизель-генераторов. Вспомогательные дизели также являются ис-
точниками дополнительного шума и вибрации в машинных отделениях.
Альтернативным решением является применение валогенера-
торов — генераторов тока, приводимых в действие непосредст-
венно от главного дизеля или главной передачи.
Современные крейцкопфные дизели оборудуют стандартными ва-
логенераторами с приводом от коленчатого или распределительного
134
Рис. 3.22. Планетарный редуктор фирмы RENK с гидростатическим регулятором
частоты вращения:
1 — гидронасос; 2 — гидродвигатель; 3 — система контроля; 4 — солнечное колесо; 5 — пла-
нетарные колеса; 6 — колесо с внутренним зацеплением; 7 — муфта
вала. Повышающая передача с планетарным редуктором и гидроста-
тическим регулятором скорости (см. рис. 3.21 и 3.22) обеспечивает
постоянство частоты вращения в диапазоне 70—104% изменения ско-
ростных режимов главного дизеля.
Стало обычной практикой использование валогенераторов в уста-
новках со среднеоборотными дизелями, работающими на ВРШ при
и — const. Привод валогенератора осуществляется от главной передачи
через муфту сцепления и повышающий редуктор. В качестве послед-
него может применяться также редуктор с гидростатическим регуля-
тором скорости, что позволяет использовать валогенератор при ком-
бинированном управлении на режимах п ф const.
Как показано ниже, применение валогенераторов при определен-
ных условиях может дать некоторую экономию топлива. Главное же
их преимущество состоит в сохранении ресурса вспомогательных ди-
зелей, уменьшении затрат на обслуживание и ремонт.
В установках с высокоэкономичными длинноходными дизелями,
когда из-за малых потерь теплоты с уходящими газами возможности
утилизации ограничены, валогенератор позволяет обходиться про-
стыми схемами утилизации, обеспечивающими подогрев топли-
ва и хозяйственно-бытовые нужды.
135
В связи с относительно малой мощностью электростанции на хо-
довом режиме (до 6,5% обычно не возникает проблем отбора
мощности от главных дизелей, имеющих построечный запас мощно-
сти 10—15%. Однако при обрастании корпуса и винта запас мощно-
сти исчерпывается и во избежание перегрузки главных дизелей под-
ключение валогенераторов может потребовать некоторого снижения
мощности. Для дизелей, работающих на ВРШ, необходимый запас
мощности Джезап создается уменьшением шага винта, при работе на
ВФШ — снижением частоты вращения при неизменной подаче топ-
лива. Например, для расчетного значения Д/Уезап = 0,065Л^гд согласно
формуле SV63an = п о — п3 потребуется снижение частоты вращения
на 2,5 %.
Основные трудности при использовании валогенераторов в уста-
новках с ВРШ возникают по причине недостаточной стабильности
частоты вращения валов главных дизелей и срабатывания защиты ва-
логенераторов при забросах частоты тока сверх допустимых пределов
(47,5 -г- 52,5) Hv Такие явления наблюдаются при сильном волнении
моря, когда защита автоматически отключает муфту валогенератора и
установка полностью обесточивается. Также не рекомендуется
включение валогенератора при прохождении узкостей и каналов, ко-
гда возможна внезапная остановка главных дизелей.
Используемая мощность валогенератора определяется условием за-
мещения вспомогательных дизелей из сопоставления двух режимов
работы судовой электростанции: основного с использованием вспо-
могательных дизель-генераторов и дополнительного с включенным
валогенератором. Как и ранее, полагаются известными относительные
расходы топлива на главные и вспомогательные потребители X У, Z
на исходном режиме работы установки, когда электроснабжение
обеспечивается только дизель-генераторами.
Мощность валогенератора обычно выбирается с запасом по отно-
шению к максимальной нагрузке электростанции и имеется возмож-
ность полного замещения вспомогательных дизелей. Предусматрива-
ется также параллельная работа валогенератора и дизель-генераторов.
Для этого общего случая условия замещения запишем в виде равенст-
ва подаваемой на ГРЩ энергии валогенератора РКВГ и замещаемой
энергии вспомогательных дизель-генераторов т. е.
и/ - к ГУ
гг вг лувг гг ВД>
где А^вг — коэффициент замещения.
С учетом потерь в генераторах, кабелях и механизме отбора
мощности от главного дизеля имеем
А^вгПрвгПпВГ А^вгЛГеВдТ|пВД
(3.10)
136
где 7VBr — мощность, отбираемая от дала главного дизеля на привод валогене-
ратора, кВт; т|рвг, т|пвг, т|П1Щ — КПД соответственно редуктора валогенератора,
передачи от валогенератора и вспомогательных дизелей на ГРЩ (для обычно
редуктора т|рвг = 0,98, для редуктора с регулированием скорости 0,9—0,92).
Мощность 7УВГ может быть выражена через индикаторную мощ-
ность главного дизеля А/гд относительным значением 5ВГ = Л^вг/А^д.
Тогда равенство (3.10), преобразованное через КПД т|/гд, г|евд и расхо-
ды топлива на главные (7гд и вспомогательные Овд дизели, получит
вид
^вг ^гд ОнгдП лдЛрвгЛ пвг ^увг ^вд СнвдПевдПпвд
ИЛИ
^вгТСнгдП /гдПрвгП пвг Кувг ^2нвдЛ ендП
пвд-
Отсюда получим расчетную формулу для определения 5ВГ через
коэффициент замещения и параметры исходного режима:
увг пвд
^бнгд^/гд^рвг1! пвг
(3.11)
Для условий полного замещения (А^вг = 1)
— ^^нвд^евд^пвд
ВГ (ГД^рВгП пвг
(3.12)
Из выражения (3.11) следует, что если отношение
енвдПевдПпвд/СнгдП(гдПрвгПпвг> т0 долевая мощность на привод ва-
логенератора определяется простым соотношением расходов топ-
лива на исходном режиме: 8ВГ = K^Y/X — для частичного и
8ВГ - Y/X — для полного замещения.
В действительности КПД главного дизеля обычно выше КПД
вспомогательных дизелей. Это обстоятельство, как следует из даль-
нейшего, и является определяющим фактором повышения эконо-
мичности установки при работе с валогенератором.
3.8. АНАЛИЗ ЭКОНОМИЧНОСТИ РАБОТЫ СЭУ
С РАЗЛИЧНЫМИ СХЕМАМИ УТИЛИЗАЦИИ
И ПРИВОДА ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ
Схема I. Для базового режима работы установки без утилиза-
ции имеем исходное соотношение долевых расходов топлива
“Gv= G'/G= X + Y + Z—1. С включением утилизационных
J лг вг
137
устройств при неизменных мощности ГД и скорости судна но-
вый расход топлива на установку Gy уменьшается в соответствии
с условиями замещения вспомогательных потребителей.
Для схемы I в случае полного замещения вспомогательного
котла (Kz — 1) уменьшение расхода топлива определяется пре-
кращением его подачи на котел, т. е. в исходном выражении
Gy — Gy/Gy полагаем Z=0. Тогда относительное уменьшение
расхода топлива на установку "Sy = X + У = 1 — Z.
Соответственно новый КПД установки ц* из соотношения
бу/бу = n/Пу будет
,„ 1 _ JL
“ ЪХ+ Y " ^yl-Z
или
ЛегдЛпгд^О ЛегдЛпгд^ •
Здесь сомножитель 1/(1 ~ Z) является мерой повышения КПД
установки, а Х/(1 ~ Z) ~ X' ~ новым долевым расходом топлива
на главный дизель в режиме работы с утилизацией.
В условиях частичного замещения вспомогательного котла
(Kz < 1) часть долевого расхода топлива на котел (1 — K/)Z сохра-
няется и корректируется в связи с возможным изменением КПД
котла на режиме работы с пониженной производительностью,
т. е. Св'к/бу = (1 — A^)Zi]BK/T| вк. Следовательно, с учетом измене-
ния КПД вспомогательного котла относительное уменьшение
расхода топлива на установку при частичном его замещении ути-
лизационным котлом
7jy = 1 - Z+ (1 - ^)2г]вк/Г|вк = + У+ (1 - ^г)2Пвк/Пвк•
Соответственно новый КПД установки и новая доля расхода
топлива на главный двигатель:
ЛегдЛпгд^ >
1 Z+(l Kz)Zt]bk/t)bk
Поправка на изменение КПД вспомогательного котла определяет-
ся его характеристикой т|вк(Дис) ” зависимостью КПД от паропроиз-
138
б)
9евд А
б'евд
9евд
50 75\ HeBA,WBfl,‘k
VBK г
и-бг)ивКо
25 50 751 г
(1-Ку)Меод0 "евди
Рис. 3.23. Расчет поправок на изменение КПД вспомогательного котла и удельного
эффективного расхода топлива вспомогательного дизеля
водительности (рис. 3.23, а). С уменьшением нагрузки котла
и перехода из точки 0 в точку а по кривой 1 КПД т|вк падает,
Пвк/Пвк > 1 и экономия топлива, получаемая от утилизации,
несколько уменьшается. В случае характеристики 2
Лвк ” Лвк = const (точка Ь) работа котла на долевом режиме
не сопровождается дополнительным расходом топлива (цвк/
ц'к = 1). Для характеристики 3, наоборот, с переходом из
точки 0 в точку с КПД котла повышается (Лвк/Лвк < 1) и
экономичность улучшается.
Схема II При замещении вспомогательных дизелей ути-
лизационным турбогенератором изменяется составляющая
расхода У. В зависимости от степени замещения вспомога-
тельных дизелей по аналогии со схемой I можем записать
следующие выражения для относительного снижения расхо-
да топлива на установку 7гу и нового КПД п у -
В условиях полного замещения (Ку = 1; К= 0):
1 1 А
Лу — Лу2"+ Z ~^У\ ~ Y1 ЛегдЛпвд 1 - У»
где сомножитель 1/(1 — У) является мерой повышения КПД
установки, а 2/(1 — У) — новым долевым расходом топлива
на главный двигатель.
139
В условиях частичного замещения (Ку < 1) с учетом сохране-
ния некоторого расхода топлива на вспомогательные двигатели
G'wJGy = (1 — и изменения их КПД:
7?,= 1- у+(1 -^)У5евд;
1 *
^l-y+d-^pyg^’^ 1-К+(1 -х-ру^вд-
Здесь поправка на изменение КПД вспомогательных дизе-
лей £еВд = Левд/Левд, работающих при частичной нагрузке па-
раллельно с турбогенератором, определяется характеристи-
кой удельного эффективного расхода топлива g^Ng^ (рис. 3.23,
б). Исходному режиму в точке 0 обычно соответствует минимум
&вд и ^евд = 70 -г 75 %. Уменьшение нагрузки дизель-генератора
обычно сопровождается повышением geBn и, следовательно, при
Ледд в точке d будет g^ = g^/g^ >1, т. е. экономичность уста-
новки несколько снижается. Например, при исходных данных
У= 0,05 и коэффициенте замещения Ку = 0,7 в случае
g = const = 1 имеем "Gy = 1 — 0,05 + (1.— 0,7)0,05 = 0,965, при по-
вышении £евд на 10 % = 1,1) получим ~Gy— 1 — 0,05 + (1 —
— 0,7)0,05 х 1,1 = 0,9665, т. е. экономия топлива; получаемая от ис-
пользования утилизационного турбогенератора, снижается с 3,5 до
3,35%. В комплектации установки это обстоятельство обычно учи-
тывается согласованием мощности вспомогательного двигателя та-
ким образом, чтобы на ходовом режиме его совместная работа с
турбогенератором обеспечивалась при минимальном удельном
расходе топлива на вспомогательные механизмы.
Схема III. При замещении вспомогательного котла и
вспомогательных двигателей на изменение расхода топлива
и КПД установки оказывают суммарное влияние факторы,
действующие в схемах I и II. Так, в условиях полного заме-
щения Kz— 1, Z = 0, Ку = 1, У = 0 в выражении для (а, ис-
ключаются расходы на вспомогательный котел в двигателе,
т. е. 7jy = X = 1 — (Y + Z), КПД установки достигает макси-
мума Пущах = т]у/Х = ПегдЛпгд» а топливо расходуется только
на главный двигатель (X' = 1, Z' = 0, К'= 0).
140
В условиях частичного з_амещения (Kz < 1, Ку< 1) соответ-
ствующие выражения для Gy и будут:
^у ~ Х + (1 ~ ^У^Пвк/Лвк + (1 “
_________________1_________________
" П^+ (1 - X-pZnBK/Ti;K + (1 - ку) YgeBa
ЛегдПпгд^ >
где новые долевые расходы топлива на главные и вспомога-
тельные дизели составят:
JT+ (1 - Xz)Zt]bk/tI'bk + (1 - Ку) Yge^
у,__________(1 Ку) YgeB%________
Х+ (1 - ^)Zt|bk/t]'bk + О ~ Ку) YgeB&
на вспомогательный котел
Z'= 1 - (Х'+ Y').
Заметим, что в эксплуатации эффективность схемы III не-
сколько снижается из-за загрязнения утилизационного котла
и необходимости его частой очистки (через 3—4 сут). Быст-
рая заносимость утилизационного котла сказывается также
на повышении противодавления выпуска газов за турбиной и
вследствие снижения параметров наддува может повлиять на
КПД главного дизеля и ухудшить экономичность установки.
По опытным данным увеличение газового сопротивления
котла в 2—2,5 раза против расчетных значений (2—2,5 кПа)
может вызывать ухудшение экономичности главного дизеля
на 0,5—1 %. В выражениях для Gy и КПД установки это об-
стоятельство может учитываться дополнительным относитель-
ным увеличением расхода топлива на главный дизель:
А брд/ бу ( брд бГд) брд/( бГд Gy).
Это выражение при = const преобразуется к виду
^брд/Gy — (^ГД — 1)Z.
Таким образом, с учетом изменения КПД главного дизеля общее
выражение для 7ту имеет вид
^у Х+ (1 ^У^Пвк/Лвк + (1 Ку) Y£еВд + (&егд 0^
141
или
^у £егдХ + О -^У-^Лвк/Лвк О КуУ^ёевд:
В соответствии с отношением G'y/Gy = Лу/Лу новый КПД ус-
тановки
, = ___________________1________________
' nyW+(i-^BK/n’BK + (i-Kpriew
или Пу - Л('гдЛпгдХ где Петд ~ Ля-д/^етд, а новая доля расхода то-
плива:
на главный двигатель Х'= Gza/Gy = GTiftnJ/(G^Gy') = А7/гд /7? •
£егд^+ (1 ~ вк + (1 “ Х^ YgeBa
на вспомогательные двигатели Y' = G~n/Gi = GnXrKn/
__ __ ИД ' у ВД БД/
(GjGy) = Г77вд/^;
______________( 1 ^у) ^£евд_________
1егяХ+ <1 ~ Kz)Zi]bk/T)'bk + (1-Ку) )^евд ’
на вспомогательный котел Z' = 1 — (X' + Y').
При полном замещении вспомогательного котла (Kz = 1) и
дизелей (Ку = 1):
£егд^’ Путах Пу^. % ~ П егд И п гд’
где отношение 1/&,гд = П егд/Пегд является мерой снижения КПД
главного дизеля.
В схеме III в условиях полного замещения исчерпываются
возможности повышения КПД установки путем снижения расхо-
да на вспомогательные потребители. Дальнейшее повышение
экономичности связывается с повышением КПД главного дизе-
ля. Схемы IV и V представляют собой пример такого развития
систем утилизации.
Схема IV. Подразумевается, что в системе утилизации с вало-
турбогенератором в условиях полного замещения вспомогатель-
ного котла и двигателей реализуется схема III, а дополнительное
142
снижение расхода топлива на установку получают от избыточной
мощности NH36, передаваемой на винт. Следовательно, относитель-
ное уменьшение расхода топлива на главный дизель АСГД/С?„ при не-
изменной суммарной мощности + jVH36 полностью опре-
деляется изменением КПД главного дизеля &Grjs/Gy = (Сгд —
-^д)сгд/(ад) = (1-^д)А:
Тогда с учетом полного замещения вспомогательных потребителей
имеем
(3.13)
и КПД установки достигает второго минимума
Лутах2 — Лу * 1/(&егд^) ~ Л егдЛпгд-
Как следует из выражения (3.13), в схеме IV дополнительное
улучшение экономичности установки по сравнению со схемой III оп-
ределяется отношением g’ew/gem = &гД < 1 или т] еГд/Пегд > 1-
Для оценки величины обратимся к избыточной мощности
7Уизб, для которой вследствие неизменности мощности механических
потерь Амгд - <1ГД справедливо равенство ДГизб = — Л^гд =
" ^Чтд “ ^/гд» а относительное значение 8изб = ^изб/^/Тд = 1 ”
— ^/гд/Мтд- _
Отношение ПеГд/тГеГд выразим через £/гд и механический КПД
Лмгд-
Легд/Л егд “ ЛйдЛмгд/СП /гдЛ мгд) ~~ ^/гдЛмгд/Л мгд-
Условие неизменности мощности, отдаваемой на винт,
Мта = ^егд + ^изб позволяет записать Пмгд/п'мгд = ^/гд/
Nira = ' “ Зизб- Тогда для &гд или отношения Пегд/п'егд оконча-
тельно имеем
5егд &д0 ^изб)-
Следовательно, изменение расхода топлива на установку
^ = &гд(1-5ИЗб)* <3-14)
Второй максимум КПД установки соответственно будет
п^ахг- %гд(1_5изб)Х ^"^и-Азб) П,етдТ1пгд’ (315)
143
где при новом долевом расходе Х'= 1 отношение 1/[^д(1 ~ &изб)1 оп-
ределяет уровень повышения эффективного КПД главного дизеля
Л егд Легд ’ 1/[&/гдО “ 5Изб)1 вследствие подвода к винту избыточной
мощности валотурбогенератора.
При малых значениях (5изб = 0,01 4- 0,015) подключение ВТГ
практически не влияет на индикаторный КПД двигателя и фор-
мулы (3.14) и (3.15) при £/гд = 1 приводятся к расчетному виду:
Ъ ” (1 “ 5изб)А; Г|утах2 “ 0 углах 1 * 1/(1 “ ^изб)>
где относительная избьпочная мощность известна из сопоставления
располагаемой и используемой теплоты в схеме IV.
Таким образом, первый максимум КПД установки определяется
параметрами исходного режима при Х'= 1: Дутах! ~ ЛегдЛпгд, второй
максимум Лутах2 “ Л'егдЛпгд отражает возможности дополнительного
увеличения КПД энергетической установки путем использования теп-
лоты газов для тепло- и электрификации и получения механической
энергии, отдаваемой на винт.
Схема И В отличие от развитой утилизации с избыточной мощно-
стью турбогенератора (схема IV), характерной для установок с форси-
рованными четырехтактными дизелями, утилизация по схеме V рас-
пространена в установках с высокоэкономичными двухтактными ди-
зелями, оборудованными турбокомпаундной системой и валогенера-
тором.
Своеобразие схемы V состоит в реализации способа одновремен-
ного подвода и отвода мощности (PT 1 — РТО). Мощность утилизаци-
онной силовой турбины через собственный редуктор и гидравличе-
скую муфту передается на вал редуктора отбора мощности валогене-
ратора (см. рис. 3.21).
Таким образом, силовая турбина может отдавать мощность на вал
главного дизеля, соответственно повышая его КПД, или совместно с
валогенератором работать на замещение вспомогательных дизелей.
При этом в схеме V обычно предусматривается замещение вспомога-
тельного котла утилизационным. Тогда в условиях полного удовлетво-
рения нужд установки в тепловой и электрической энергии измене-
ние расхода топлива на установку в схеме V выразим по аналогии со
схемой IV:
~ &Тд[ 1 + (^вг ~ 5СТ)]ЛГ == &‘гд($ВГ ~ 8Ст)^С (3.16)
где &-гд — сравнительное изменение индикаторного удельного расхода
топлива ГД в режиме работы РТ1 — РТО (&-гд = ё^гд/Я/гд); $вг, 8СТ — от-
носительные мощности соответственно валогенератора (8ВГ — NBr/Nirj]) и
силовой турбины (8СТ = Аст/Мгд)-
144
Соответственно новый КПД установки
%ra[i + (SBr-ScT)]jf
или
, 1 , 1
Пу ПегдПпгд^.гд[1+(5g я ПегдПпгд1 + (5вг_5ст)
(3-17)
где отношение 1/£^д = Л^гд/Легд является мерой изменения цегд в ре-
жиме работы ГД + ВГ + СТ, а новый долевой расход топлива на ГД
Лд = 1/[1 + (8ВГ — 8^)]. Заметим, что вследствие незначительного изме-
нения индикаторной мощности в формулах (3.16) и (3.17) также мож-
но положить йГд = 1.
Условие &ГД — 1 точно удовлетворяется при 8ВГ = 8СТ, т. е. при равен-
стве подводимой и отводимой мощностей, когда ~Gy = X,
т|'у = Т|>тпах1 ~ 'ПегдЛпгд, 1- В этом случае эффективность утилиза-
ции в схеме V одинакова с таковой в схеме III. В действительности в
установках с высокоэкономичными дизелями МАН — Бурмейстер и
Вайн типа МС и Зульцер RTA 8ВГ = 0,04 + 0,08, 8СТ = 0,025 + 0,035
при Nm ~ 100 % и снижается до 0,01 при Аегд = 50 %. Неравенство
мощностей 8ВГ 8СТ, однако, не означает, что КПД установки в схеме
V ниже, чем в системе глубокой утилизации, где существенно
меньше т|^гд высокоэкономичного дизеля в схеме V.
Ранее отмечалось, что вследствие ограниченной мощности сило-
вой турбины и снижения ее КПД в эксплуатации из-за отложений
дизели с ТКС пока не получили широкого распространения (~2% об-
щего числа, установленных на судах), поэтому представляет интерес
оценка изменения величин Gy и КПД установки в режиме работы с
включенным валогенератором (ГД + ВГ). Расчетные соотношения
для 7гу и т|'у в условиях полного замещения ВК и ВД получаем из
формул (3.16), (3.17), где надо положить 8СТ = 0, т. е.
, = 1 , ___L
%гд(1+8вг)^ ПегдПппЦ+б
где при условии сохранения пропульсивной мощности ?4ГД = idem на
т|'егд оказывает влияние только изменение индикаторного процесса,
145
т. е. т|'егд = 'Цегд/Ё/гд, а изменение механического КПД Лмгд/
Л'мгд = 1 + 8ВГ полностью определяется отбором мощности на валоге-
нератор и новый долевой расход топлива на главный двигатель
Х'~ 1/(1 +8ВГ). Эффективность схемы V в этом случае зависит от ве-
личины 8ВГ, которая в свою очередь обусловливается различием в
КПД главного и вспомогательных дизелей.
Для установления этих связей рассмотрим изменение эконо-
мичности установки в режиме работы с включенным валогенератором
(РТО). В условиях полного замещения вспомогательных дизелей
= 1 - Г+ (Пегд/П'егд - 1)*^ 1 - У + &гд - 1)Х
где по аналогии с (3.14) 'Пегд/л'егд = &гд = £гдП + ^г)- Следова-
тельно, изменение расхода топлива на установку ~йу — 1 — Y +
+ [&д(1 + 5вг) “ ВД а при допущении &-гд = 1 получим
Ъу = 1 - Г+8ВГА: (3.18)
Из выражения (3.18) следует, что изменение расхода топлива 7ту и
КПД установки т|'у = т|у/( 1 — Y + 8ВГА) -в режиме работы РТО опреде-
ляется разностью расхода топлива на вспомогательные дизели (—и
его дополнительным расходом на главные двигатели (+6^^. Очевид-
но, при 8ВГ = Y/Х эта разность равна нулю, расход топлива Gy и КПД
сохраняются неизменными. Снижение Gy и повышение возможно,
если 8ВГ < Y/Х или с учетом изменения индикаторного КПД [^д(1 +
+ 8ВГ)~1]<Г/*
Из условий замещения вспомогательных дизелей валогенератором
(3.12) следует, что относительная мощность 8ВГ уменьшается с ростом
индикаторного КПД главного дизеля т|/гд и КПД редуктора т|пвг и тем
значительнее, чем меньше КПД вспомогательных дизелей. Так, при
исходных данных Х= 0,9; У= 0,05; ц/гд “ 0,5; = 0,35; Т|рвг = 0,9;
Снгд= Снвд и одинаковых потерях в кабелях и генераторах
(Ппвд = Ппвг^вг ” 0,0433 и уменьшается до 8^ = 0,04 при т|рвг = 0,98.
Соответствующее снижение расхода топлива при = 1 составит
(1 — Д,)100 = 1,1 % при т|рвг ” 0,9 и 1,14 % при т|рвг = 0,98. Значение
т|рвг — 0,98 характерно для одноступенчатых редукторов привода вало-
генератора при работе главных дизелей на ВРШ, а т|рвг = 0,9 — для
планетарных редукторов с гидростатической стабилизацией частоты
вращения валогенератора при работе главного дизеля на ВФШ. Одна-
ко из-за 1,5—2-кратного различия в стоимостях топлива на главные и
вспомогательные дизели снижение эксплуатационных расходов по-
лучаем и при отсутствии экономии топлива.
146
В оценке общего экономического результата следует учитывать и
уменьшение расхода циркуляционного масла на Дбмвд = А^г^вд&мвд,
где удельный расход циркуляционного масла на вспомогательные ди-
зели #мвд = 0,001 -г 0,002 кг/(кВт • ч).
В случае полного замещения общее снижение расхода масла
за рейс на вспомогательные дизели учитывается коэффициентом
ходового времени валогенератора
“ (^ход ~ ^вг)Аход>
где тход — общее ходовое время; твг — время работы валогенератора.
Наконец, при проведении полных экономических сопоставле-
ний надо учитывать и затраты на техническое обслуживание, за-
пасные части и ремонт вспомогательных дизелей, которые в це-
лом сокращаются пропорционально коэффициенту ходового вре-
мени валогенератора (подробнее см. гл. 4).
3.9. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ УТИЛИЗАЦИОННЫХ КОТЛОВ
Общие сведения. На действующих теплоходах эксплуатируются
утилизационные котлы разнообразных типов: газо- и водотрубные, с
естественной и принудительной циркуляцией, оборудованные пол-
ным или частичным газовым перепуском и без него, с использовани-
ем котла на жидком топливе в качестве сепаратора пара и с автоном-
ным сепаратором пара.
Особенность работы утилизационных котлов в составе СЭУ состо-
ит в необходимости непрерывного обеспечения паром (заданных па-
раметров) ответственных потребителей (турбогенераторов, подогрева-
телей топлива и др.) при ограниченной возможности управлять ко-
личеством подводимой теплоты выпускных газов. В последние годы в
связи с эксплуатацией утилизационных котлов в широком диапазоне
режимов работы главных дизелей возникли дополнительные трудно-
сти обеспечения совместной работы утилизационных и вспомогатель-
ных котлов. Кроме поддержания давления пара, уровня воды и мини-
мального потребления топлива вспомогательным котлом, здесь по
возможности требуется исключить коррозию поверхностей нагрева и
пожары в утилизационных котлах.
Рассмотрим эти вопросы подробнее.
Регулирование давления пара. В утилизационном котле давление
пара регулируют с целью: обеспечения заданных параметров произво-
димого пара; согласования паропроизводительности утилизационного
котла и потребности в защите поверхности нагрева от сернокислот-
ной коррозии путем поддержания температуры металла на безопас-
ном уровне.
147
Применяют следующие основныеспособы регулирования давле-
ния пара:
сброс излишков пара в конденсатор — наиболее распространенный
способ благодаря его простоте. Иногда сброс пара производится в
конденсатор турбогенератора или донный танк котельной воды. Этот
способ обеспечивает высокое качество переходных процессов, так как
заданное давление стабилизируется путем перераспределения произ-
водимого пара между потребителями и конденсатором. Недостатками
способа являются необходимость установки конденсатора, расход
энергии на прокачивание его охлаждающей водой, на подачу в котел
питательной воды для производства пара, сбрасываемого в конденса-
тор, опасность засоления воды в случае повреждения конденсатора;
перепуск газов мимо котла — применяют котлы как с полным, так
и с частичным перепуском газов. Основное достоинство способа —
возможность регулирования давления пара в широком диапазоне на-
грузок при плавном протекании переходных процессов; недостаток —
необходимость установки обводного газохода, газонаправляющих за-
слонок и системы управления ими;
частичное отключение поверхности нагрева — широко распростра-
ненный способ для грубого регулирования паропроизводительности
утилизационных котлов с принудительной циркуляцией, поверхность
нагрева которых состоит из нескольких секций. Этот способ допол-
няется каким-либо другим, чаще всего сбросом излишков пара в кон-
денсатор. В последние годы из-за опасности разрушительного дейст-
вия пожаров этот способ не рекомендован к применению на строя-
щихся судах.
Регулирование уровня воды. Для регулирования питания утилиза-
ционных котлов применяют, как правило, системы стабилизации
уровня воды в сепараторах пара, коллекторах и барабанах, в которых
реализуются те же законы регулирования и используется та же аппа-
ратура, что и в системах стабилизации уровня воды во вспомогатель-
ных котлах. Часто такой подход объясняется тем, что вспомогатель-
ный котел используется в качестве сепаратора пара утилизационного
котла. При работе утилизационных котлов с принудительной цирку-
ляцией в условиях изменения интенсивности обогрева, вызывающих
смену парообразующего и водогрейного режимов их работы, на-
блюдаются значительные снижения и повышения уровня воды в се-
параторах пара.
Как следствие отклонений уровня воды в сепараторах пара при
традиционных способах регулирования питания наблюдаются: сраба-
тывание системы сигнализации по уровню воды; срабатывание защи-
ты в системе управления горением вспомогательного котла, являюще-
гося сепаратором пара; значительные изменения уровня воды в теп-
лом ящике и сброс воды из теплого ящика в танк запаса котельной
воды; нарушение режима питания вспомогательного котла, являюще-
148
Рис. 3.24. Схема утилиза-
ционного котла с принуди-
тельной циркуляцией (а)
и изменение водосодержа-
ния сепаратора пара при
его пуске и останове (б):
1 — сепаратор пара; 2 — цир-
куляционный насос; 3 — па-
рообразующая часть; 4 —
экономайзер
г dz
Останов котла
Пуск котла
гося резервным источником пара; срыв подачи циркуляционного на-
соса.
Рассмотрим природу отклонений уровня воды в сепараторе пара
утилизационного котла (рис. 3.24, а, б). Для удобства рассмотрения
переходный процесс разбит на характерные участки.
Начало участка I (момент времени Тд) определяется моментом пус-
ка циркуляционного насоса, когда водосодержание сепаратора Go
значительно превышает значение GH, соответствующее нормальному
уровню воды. Это часто встречающийся на практике случай, когда
вода из котла в процессе его останова слита или вытеснена в сепара-
тор пара. Изменение водосодержания сепаратора пара на этом участке
вызвано откачиванием из него воды для заполнения утилизационно-
го котла. Конец участка определяется уменьшением водосодержа-
ния сепаратора до значения GH.
На участке II процесс заполнения котла водой сопровождается
подпиткой сепаратора пара. Водосодержание сепаратора продолжает
уменьшаться, так как паропроизводительность циркуляционного на-
соса D2 превышает паропроизводительность питательного насоса
Конец участка Т2 определяется моментом заполнения котла водой.
149
С целью обеспечения на участке II водосодержания сепаратора
Gmin, достаточного для устойчивой работы циркуляционного насо-
са, необходимо выполнение условия > Gmin. В случае использова-
ния котла на жидком топливе в качестве сепаратора пара утилизаци-
онного котла снижение уровня не должно приводить к срабатыва-
нию защиты, поэтому часто на участках Iи //уменьшают паропроиз-
водительность циркуляционного насоса для того, чтобы удовлетворить
условию GH + (Z>! - Z>2)(t2 - n) > Gmin-
После заполнения котла водой на участке III в результате подпит-
ки происходит восстановление водосодержания сепаратора пара до
нормального значения, т. е. G3 = (?н. По окончании участка III ко-
тельная установка подготовлена к обогреву, который не приводит к
каким-либо заметным изменениям уровня воды до тех пор, пока не
начнется парообразование, поэтому участок IV имеет неопределенную
продолжительность и заканчивается в момент времени т4, который
характеризуется началом парообразования. На этом участке обязатель-
но должен быть установлен полный расход циркуляционной воды.
Интенсивность парообразования на участке V определяется харак-
тером обогрева котла, температурой воды, поступающей к поверхно-
стям нагрева, и давлением пара в котле. Концом Vучастка Т5 является
достижение в котле рабочего давления пара и подключение его под
нагрузку. Количество воды, вытесняемой в сепаратор паром из котла
при переходе его с водогрейного режима работы на парообразующий,
составляет около 80 % водосодержания котла в холодном состоянии.
На участке VI ввода котла в действие уровень воды в сепараторе
снижается в результате расхода пара на потребители. При снижении
водосодержания сепаратора пара до значения <7Н пуск котла заканчи-
вается и в дальнейшем уровень воды в нем поддерживается регулято-
ром питания.
Режиму нормальной работы котла под нагрузкой соответствует
участок VIL
При уменьшении интенсивности обогрева в момент времени т7
прекращается испарение воды в котле и начинается заполнение его
водой при одновременной подпитке сепаратора пара (участок VIII).
Расход пара на данном участке D4 = 0, так как потребители получают
пар от вспомогательного котла, давление в котором в это время вы-
ше, чем в сепараторе.
На последнем участке IX происходит восстановление уровня воды
в сепараторе пара благодаря его подпитке.
Приведенный график свидетельствует о том, что система стабили-
зации уровня воды в сепараторе пара, обеспечивающая устойчивую
работу утилизационной котельной установки в парообразующем и во-
догрейном режимах, не обеспечивает поддержание заданного уровня
воды в процессе смены режимов работы котла.
150
Рис. 3.25. Совместная работа
вспомогательного и утилизаци-
онного котлов
Регулирование расхода топлива. Совместная работа вспомогатель-
ного и утилизационного котлов характерна для многих эксплуатаци-
онных режимов: экономичные хода, подогрев груза, проход узкостей,
плавание во льдах, мытье танков. Она предусматривается практически
на всех судах, где установлены эти котлы.
При работе котлов на общую паровую магистраль распределение
нагрузок между ними и поддержание рабочего давления пара обес-
печиваются путем периодического подключения вспомогательного
котла. Иногда для быстрого ввода вспомогательного котла под нагруз-
ку предусматривают установку парового подогревателя в его водяном
объеме, что позволяет хранить вспомогательный котел под избы-
точным давлением.
На рис. 3.25 совместная работа котлов представлена в координа-
тах давление пара — паропроизводительность. При малом потребле-
нии пара осуществляется одиночная работа утилизационного котла,
давление в котором поддерживается штатной системой регулирова-
ния. Этим режимам работы соответствует линия ab. С увеличением
нагрузки утилизационного котла штатная система регулирования вы-
ходит на упор и давление уменьшается до значения, при котором
происходит подключение вспомогательного котла (точка с). При со-
вместной работе котлов давление пара поддерживается системой регу-
лирования вспомогательного котла на уровне cd, а потребная паро-
производительность Di определяется суммой D\ — Dy\ + /)в1.
Во многих котельных установках пар, получаемый в котлах, непо-
средственно к потребителям не поступает, а вначале редуцируется,
поэтому с целью более выгодного распределения нагрузок между кот-
лами представляется возможность понижать уровень уставки давле-
ния пара до минимально допустимого значения по условиям работы
котлов и потребителей (линия ej). При этом паропроизводительность
утилизационного котла увеличивается на А/)у, а вспомогательного —
уменьшается до значения Z>B2, что приводит к снижению расхода топ-
лива. В зависимости от типа утилизационного котла снижение давле-
ния пара в нем может ограничиваться температурой циркуляционной
151
воды, скоростью пароводяной смеси в змеевиках и другими величи-
нами.
В отличие от котлов с естественной циркуляцией, для которых по-
нижение давления пара является единственным способом увеличения
количества утилизируемой теплоты, при использовании утилизацион-
ных котлов с принудительной циркуляцией возможности оптимиза-
ции значительно шире и во многом определяются схемой котельной
установки.
Максимальное количество теплоты газов в утилизационном котле
может быть использовано в (случае обеспечения наибольшего темпе-
ратурного напора между газами и нагреваемой жидкостью. В связи с
тем что температура выпускных газов определяется режимом работы
двигателя, увеличить разность температур при заданном давлении па-
ра можно понижением температуры циркуляционной воды.
Для установившегося состояния котла температура циркуляцион-
ной воды может быть определена из уравнения теплового состояния
сепаратора пара:
(у ((у
где (у — температура насыщения, °C; /и — температура питательной во-
ды, °C; к — кратность циркуляции.
Это выражение используют в процессе проектирования утилиза-
ционного котла, чтобы по известным ts и /п выбрать подачу циркуля-
ционного насоса, обеспечивающую кратность циркуляции, при кото-
рой на расчетном режиме температура /ц была бы выше минимально
допустимого значения по условиям сернокислотной коррозии и в то
же время достаточно низкой для обеспечения необходимой разности
температур между газами и стенкой трубы.
Анализ изменения температуры циркуляционной воды и ее влия-
ния на паропроизводительность в процессе эксплуатации утилизаци-
онного котла позволяет сделать следующие выводы.
При неизменном давлении пара и расходе циркуляционной воды
£>ц уменьшение паропроизводительности утилизационного котла Dy
по любой причине приводит к возрастанию кратности циркуляции
к = Du/Dy и, следовательно, температуры циркуляционной воды 1Ц.
Возрастание приводит к дополнительному уменьшению паропроиз-
водительности вследствие уменьшения температурного напора.
При уменьшении кратности циркуляции к по отношению к
расчетному значению (например, вследствие уменьшения подачи
циркуляционного насоса из-за ухудшения его технического состоя-
ния, а также в случае работы при пониженном давлении пара) темпе-
ратура циркуляционной воды понижается, что может способствовать
коррозии и снижению надежности работы котла.
152
Рис. 3.26. Котельная установка
с использованием вспомогатель-
ного котла в качестве сепарато-
ра пара утилизационного котла:
7, 7 — утилизационный и вспомога-
тельный котлы; 2 — датчик темпера-
туры; 3 — регулятор; 4 — трубопро-
вод питательной воды; 5 — теплооб-
менник; 6 — циркуляционный наСос
Если в качестве сепаратора пара используется барабан вспомога-
тельного котла, включение форсунки при недостаточной производи-
тельности утилизационного котла приводит к повышению температу-
ры циркуляционной воды до значения, близкого к температуре
насыщения.
Таким образом, при совместной работе утилизационного и вспо-
могательного котлов подключение отапливаемой части контура при-
нудительной циркуляции для покрытия дефицита паропроизводи-
тельности утилизационного котла неизбежно приводит к уменьшению
температурного напора в экономайзерной части утилизационного
котла и повышенному расходу топлива. Для уменьшения расхода топ-
лива необходимы схёмные решения и способы управления, которые
при совместной работе котлов позволяют поддерживать минимально
допустимое значение температуры циркуляционной воды.
Для распределения тепловых нагрузок между котлами применяют
теплообменник, охлаждающий циркуляционную воду питательной во-
дой (рис. 3.26). При одиночной работе утилизационного котла тепло-
обменник и система стабилизации температуры циркуляционной во-
ды не оказывают влияния на температуру воды перед котлом и ко-
личество теплоты, утилизированной им. Это объясняется тем, что в
водяном тракте питательная вода смешивается с кипящей водой, вы-
делившейся из состава пароводяной смеси. Естественно, что темпера-
тура циркуляционной воды, поступающей к утилизационному котлу,
зависит только от соотношения расходов и начальной температуры
компонентов смеси. При совместной работе котлов, т. е. в случае
включения форсунки В К в теплообменнике происходит охлаждение
циркуляционной воды, имеющей температуру, близкую к температу-
ре насыщения, питательной водой до минимально допустимой темпе-
ратуры по условиям коррозии, благодаря чему обеспечивается опти-
мальное распределение нагрузок между котлами.
153
Пожары в утилизационных котлах. Пожары являются следствием
отложения на поверхности нагрева продуктов неполного сгорания то-
плива и масла. Отложения, температура воспламенения которых со-
ставляет 140—150°С, особенно значительны при работе главных дизе-
лей при пониженных нагрузках. В основном взрывы и пожары в ути-
лизационных котлах происходили после длительной работы главного
дизеля с пониженной нагрузкой, когда после маневренных режимов
его нагрузка доводится до полной и попадание частиц горящего топ-
лива способно вызвать воспламенение отложений. Следствием загора-
ния отложений может быть развитие высокотемпературного пожара,
во время которого одновременно протекает несколько химических ре-
акций, сопровождающихся выделением большого количества теплоты
и приводящих к разрушению котла. Среди этих реакций особое место
принадлежит реакции окисления железа в среде водяного пара:
3Fe + 4Н2ОТ Fe3O4 + 4Н2 + 14,74 кДж.
Эта реакция используется в лабораторных опытах для получения
водорода, когда водяной пар пропускают через предварительно нагре-
тые стальные стружки. При начальной температуре металла 700 °C
реакция становится необратимой, так как теплоты, выделяющейся во
время ее протекания, достаточно для поддержания высокой темпера-
туры металла. Горение же углерода, содержащегося в отложениях са-
жи, происходит при очень высокой температуре и может вызвать на-
гревание участков труб до температуры, превышающей 700°С. При
контакте нагретой трубы с паром возникают условия для протекания
реакции окисления железа, выделяющийся при этом водород сгорает
в среде воздуха. В результате высокотемпературных пожаров в утили-
зационном котле выгорают и расплавляются участки труб и ребра на
них, коробятся кожухи и т. д.
Борьба с пожарами идет в направлении уменьшения вероятности
возгорания отложений путем предотвращения скопления их в котле,
раннего обнаружения пожаров, разработки методов их тушения и
предотвращения разрушения котла.
Для предотвращения отложения и скопления сажи в утилизацион-
ном котле необходимы достаточно большие скорости газов, проходя-
щих через котел (не менее 12—15 м/с), при которых имеет место са-
мообдув поверхности нагрева; важен также выбор геометрических ха-
рактеристик ребер и шипов для труб. Увеличенному отложению сажи
может способствовать низкая температура труб (например, прокачи-
ваемых при вводе котла в действие холодной водой), так как на них
могут конденсироваться пары топлива и масла. Отслаивание нагара
вследствие высокой средней влажности или дождя во время стоянки
судна в порту, а также вследствие неудовлетворительной системы об-
мыва поверхности нагрева также может привести к скоплению значи-
154
тельного количества углеродосодержащих веществ в отдельных частях
котла и последующему их воспламенению при увеличении нагрузки
главного дизеля.
Вероятность возникновения пожара может быть уменьшена путем
регулярной эффективной очистки поверхности нагрева со стороны
газов. Кроме того, применяют полный газовый перепуск утилизаци-
онного котла при работе дизеля на долевых нагрузках, а также
регулирование подачи цилиндрового масла в зависимости от
нагрузки главного дизеля.
Для возможно раннего обнаружения загорания осадков пре-
дусматривается сигнализация о высокой температуре газов на
выходе из котла либо о том, что температура газов за котлом
выше, чем перед ним.
Для того чтобы предотвратить разрушение котла в случае за-
горания, необходимо поддерживать температуру металла на
уровне, не допускающем развитие высокотемпературного пожа-
ра. Это достигается в первую очередь тем, что прокачивают во-
дой все исправные секции утилизационного котла. Если
имеются отключенные секции котла, то при использовании па-
ротушения или поступлении в них пара из работающих секций
через неплотно закрытые клапаны могут возникнуть условия
для развития высокотемпературного пожара. Поэтому в настоя-
щее время из инструкций по эксплуатации утилизационных
котлов многих фирм исключен способ регулирования паропро-
изводительности изменением числа работающих секций.
Развитию высокотемпературного пожара может способство-
вать недостаточный расход воды, прокачиваемой через котел.
Не допускается уменьшение расхода циркуляционной воды
для регулирования давления пара в котле, так как в этом случае
при возникновении пожара подвод теплоты к воде, а следова-
тельно, и давление пара увеличиваются, что приводит к умень-
шению расхода циркуляционной воды и таким образом благо-
приятствует дальнейшему развитию пожара.
Большинство котлостроительных фирм предусматривают ра-
боту циркуляционного насоса либо в течение нескольких ча-
сов после останова двигателя, либо до тех пор, пока котел не
охладится до температуры ниже 150°С. Отдельные фирмы реко-
мендуют также мокрое хранение котла с постоянно рабо-
тающим циркуляционным насосом. Кроме того, для уменьше-
ния конденсации паров топлива и масла на поверхности нагре-
ва котла рекомендуется подогрев воды в нем перед пуском
главного дизеля.
Для тушения пожаров, вызванных загоранием отложений в
утилизационных котлах, используют способы, основанные на
прекращении подвода воздуха к очагу пожара (остановка двига-
155
теля, применение средств объемного тушения — СО2 или па-
ра), а также охлаждение котлов. В случае подачи в утилизаци-
онный котел двуокиси углерода СО2 необходимо принять ме-
ры, препятствующие его поступлению в машинное отделение
через неработающий дизель, например загерметизировать вса-
сывающую часть турбонагнетателей. При использовании пара
для тушения пожара необходимо следить за тем, чтобы все сек-
ции котла прокачивались водой. Для охлаждения очага пожара
чаще всего используют холодную воду, так как ее испарение
требует большого количества теплоты. Подача воды может про-
изводиться через устройства для обмыва котла водой, а также
через лючки, в которые вводятся стволы пожарной системы.
При этом для предотвращения попадания воды в двигатель необхо-
димо контролировать работу дренажной системы приемной камеры
утилизационного котла и газохода главного дизеля.
Знание природы возникновения пожаров и методов их тушения
позволяет избежать разрушительных последствий загорания сажи в
утилизационных котлах.
Глава 4
НОРМИРОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ СУДОВОЙ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ. МОДЕЛИРОВАНИЕ
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМОВ
4.1. НОРМИРОВАНИЕ СКОРОСТИ СУДНА, МОЩНОСТИ И РАСХОДА
ТОПЛИВА СЭУ
Общие сведения. Нормирование энергоэкономических показате-
лей энергетических установок и скорости судов является основой
учета, контроля и планирования эксплуатации судов. Оно осуществ-
ляется отделами топливно-энергетических ресурсов пароходств. По
результатам месячных, квартальных отчетов, проведения система-
тических испытаний судов и определения их ходовых характери-
стик (рис. 4.1) разрабатываются и корректируются на предстоящий
год нормы скорости, мощности, расходов топлива и масла.
Нормирование скорости и мощности. Исходной базой для норми-
рования скорости судна является контрактная (паспортная) ско-
рость, рассчитываемая по данным испытаний модели и уточняемая
на ходовых сдаточных испытаниях. Соответствующая ей мощность
для нового (построечного) состояния корпуса при полной осадке для
дизельных установок обычно составляет (0,75 0,85) А^ом ПРИ но-
минальной частоте вращения главных дизелей. Запас мощности
15—25 % может использоваться для частичной компенсации
возрастающего сопротивления судна в процессе эксплуатации
(рис. 4.2).
Для ледоколов, судов ледового плавания, буксиров, спасате-
лей предусматривается установка тяговых или компромиссных
винтов и контрактные скорости задаются для работы во льдах, с
возом, для свободного хода. В последнем случае в установках с
ВФШ существенно недоиспользуется мощность главных дизелей.
Для улучшения тяговых и скоростных характеристик на судах
этого класса предусматривается установка ВРШ или использует-
ся электродвижение.
При последующей эксплуатации вследствие изменения со-
стояния корпуса, винта, элементов пропульсивного комплекса
возрастают сопротивление судна, тепломеханические нагрузки на
главные дизели, запас мощности становится недостаточным для
выполнения контрактной скорости.
Снижение скорости из-за технических причин учитывается
введением норматива на заданную техническую скорость vT, кото-
157
Рис. 4Л. Ходовые характеристики теплохода "Евгений Мравинский" (штриховые
линии — комбинированное управление ГД—ВРШ, сплошные линии — режимы
п - const ГД - ВРШ + ВГ):
5МИШ “ Угол разворота лопастей ВРШ, град; 5цпу — указатель шага ВРШ в ЦПУ; (7усл —
расход условного топлива на установку
рая ограничивается по показателям тепловой и механической на-
пряженности главных дизелей и состоянию элементов пропуль-
сивного комплекса.
Техническая скорость устанавливается по результатам теку-
щей эксплуатации или теплотехнических испытаний и соответст-
вует скоростям хода в грузу, полугрузу и в балласте при среднем
158
эксплуатационном состоянии корпуса, винта, ветре и волнении
до 3 баллов и глубине под килем не менее 7 осадок. Заданная
техническая скорость обычно обеспечивается при мощности
главных дизелей на 25—30 % ниже построечной (номинальной)
мощности (табл. 4.1).
Влияние средних навигационных условий (волнения, ветра,
течений, глубин, узкостей) на снижение скорости учитывается
введением норматива на заданную эксплуатационную скорость уэ,
которая является расчетной (плановой). Действительные значения
скорости за рейс могут отличаться от заданной эксплуатационной
скорости в меньшую или большую сторону. Однако выполнение
рейсового задания по средней скорости уэ является обязательным.
В отдельных случаях средняя скорость за рейс определяется зада-
нием времени прихода судна в порт и расстоянием. В этих услови-
ях возможны существенные отклонения от скорости уэ и исполь-
зование режимов экономичного хода, а выполнение рейсового за-
дания учитывается соблюдением графика движения судна.
Как видно из табл. 4.1, с увеличением эксплуатационных за-
трат на топливо режимы экономичного хода становятся не эпи-
зодическими, а вводятся в ранг нормируемых. В зависимости от
условий эксплуатации судна (трамповое или линейное плава-
ние) задаваемые скорости судов Балтийского морского пароход-
Рис. 4.2. Диапазоны скорости —
мощности на эксплуатацион-
ных режимах полного (Л) и
экономичного (В) ходов судна
в грузу и в балласте:
1 — при обрастании корпуса; 2 —
при чистом корпусе; О — режим оп-
тимизированного хода ge —> min
159
Таблица 4.1
Судно Q, т А т/ч Nh кВт Л & кг/(кВт ч) (7Т, т/сут Расход мас- ла, кг/ч г/(кВт ч) Скорость, уз
пос- тро- ечная за- дан- ная рас- четная ци- лин- дро- вого цир- куля- цион- ного ут V3
"Красноград” 11800 12800 7640 6910 3650 0,49 0,269 17,2 3,4 2,3 0,93 15,8 13
"Новгород" 12100 13600 7830 7060 5440 0,69 0,274 26,1 4,2 2,2 0,77 16,5 14,7
"Новополоцк" 12100 13000 8380 7060 5910 0,705 0,274 28,4 4,2 2,2 0,72 16,5 15,0
"Иловайск" 10950 13236 7900 6980 5250 0,45 0,274 25,2 7,2 3,4 1,37 16 14,2
"Варнемюнде" 10300 11350 9490 7580 4910 0,52 0,275 23,8 6,4 3,0 1,3 17 14
"Художник Сарьян" 15200 14720 14400 11760 9160 0,635 0,276 44,3 13,5 3,4 1,48 18,5 16,7
"Капитан Гаврилов" 12400 21370 17460 13240 12050 0,695 0,272 57,4 8,5 8,6 0,705 18,8 17,3
"Астрахань" 7500 17850 8820 7060 4900 0,58 0,248 21,3 8,4 4,0 1,72 15,6 14
"Скульптор Коненков" 7100 15418 16900 13230 11320 0,665 0,277 54,9 — - .1 24 2,12 18 15,1
"Евгений Мравинский" 7500 17930 10150 8120 7100 0,616 0,265 28 10 5,0 1,4 17 15
"Капитан Бетхер" 33250 36663 7720 6330 3900 0,51 0,233 13,1 4,3 3,8 1,1 13,8 10
"С. Киров" 5000 7130 9450 8500 6470 0,68 0,27 30,6 7,0 4,5 1,08 16 15
"Астрахань" (линейное) 7500 17850 8820 7060 6015 0,685 0,248 26,1 9,6 4,0 1,6 15,6 14,8
При м е ча ние . - - удельный индикаторный расход условного топлива.
ства в 1993 г. составляли у = 0,75 -г- 0,92 от технических, а коэф-
фициенты использования построечной мощности снизились
до 0,5—0,7.
Значения у и к^ соответствуют данным работы судов в зару-
бежной практике судоходства с минимальными эксплуатацион-
ными затратами.
Номинальная мощность соответствует максимальному значе-
нию мощности в точке или 7?! обобщенной диаграммы мощ-
ности — частота вращения (см. рис. 1.10).
Спецификационная мощность (построечная) — мощность дизе-
ля, устанавливаемая на судне из условия обеспечения в эксплуата-
ции контрактной скорости. Спецификационная мощность за-
дается в пределах контура обобщенной диаграммы (см. рис. 3.8)
по согласованию с заказчиком. Для данного конкретного судна
спецификационная мощность принимается за 100 %.
Заданная мощность Иезал назначается пароходством с учетом тех-
нических ограничений и соответствует технической скорости ут.
Расчетная мощность полного хода Ne^C4 — мощность при
выполнении рейсового задания и движении судна с заданной
эксплуатационной скоростью. Она является длительной экс-
плуатационной мощностью главных дизелей (Continuons
Servise Rating — CSR) и равна Necn. Мощность Ne3 определяется
индицированием, входит в число месячных отчетных данных и
используется в расчетах нормы расхода топлива.
Мощность экономичного хода задается из конкретных условий
выполнения рейса на уровне (50 4- 70 %) 7Vecn, но не ниже 40%
^есп для длительных условий работы.
Нормирование расхода топлива. Нормирование осуществляет-
ся в пароходствах с целью контроля и учета расходования топли-
ва, планирования его потребностей и стимулирования экономии
энергетических ресурсов.
Нормы расхода топлива представляют собой значения удельного
расхода условного топлива (в качестве единицы условно принимает-
ся 1 кг топлива, имеющего низшую теплоту сгорания 29,3 МДж),
т. е. расходов, приходящихся на единицу технической работы глав-
ных дизелей в киловатт-часах (технический измеритель работы) и
единицу транспортной работы судна 1000 тоннаже-миль (эксплуата-
ционный . измеритель работы). В соответствии с инструкцией по
нормированию различают индивидуальные нормы расхода топлива
на главные дизели отдельных судов [кг/(кВт-ч)] и общие нормы
для серий и групп судов по назначению (кг/1000 тоннаже-миль).
Нормы удельного расхода условного топлива на главные дизе-
ли для режимов полного хода £/гдп (мощность 50 % и выше),
6 Зак. 1596
161
среднего хода ^дс (мощность 25—50 %) и малого ^дм (до 25 % спе-
цификационной) вычисляют по результатам теплотехнических ис-
пытаний как отношение часового расхода топлива (7ГД, кг/ч, к инди-
каторной мощности главных дизелей на режимах работы от полного
до малого хода. Эти нормы с учетом времени работы на режимах
полного, среднего и малого ходов Znx, Zcx, Z^ используют для
расчета месячного расхода топлива на главные дизели по норме, т:
1ДП ЙТДП^Ч'ПХ^ПХ * Ю 3; Ддс S/ГДС^ЧсХ^Х ’ Ю &1ДМ^Ч'МХ^4Х ’ 10
где ЛшХ, NjCX> А/мх” средневзвешенная индикаторная мощность глав-
ных дизелей за месяц при ходе в грузу, полугрузу, балласте, кВт.
На режимах маневрирования (работа в акватории порта, когда
учет пройденного расстояния не производится) расход топлива в
килограммах в час нормируется на единицу времени (судо-час).
Также на судо-час нормируются расходы топлива на вспомога-
тельные механизмы на ходу (7ВД, на стоянке с перегрузочными
операциями и без них, на вспомогательный котел GBK в летнем и
зимнем режимах, на установку кондиционирования воздуха.
С учетом времени маневров, работы вспомогательных дизе-
лей и котлов определяются соответствующие расходы по норме
на вспомогательное потребление.
По сопоставлению фактического месячного расхода топлива
Вф и расхода, рассчитываемого по нормам Бн, оценивают резуль-
тат топливоиспользования в виде абсолютной АВ = Вн — Вф и
относительной (ДБ/2?н)100% экономии топлива.
Для определения плановых норм расхода топлива для группы и се-
рий судов и потребностей в топливе в целом по флоту нормативным
показателем является расход топлива в килограммах на эксплуатаци-
онный измеритель 1000 тоннаже-миль. При его исчислении в качест-
ве постоянной для данного судна вводится дедвейт DW. Следова-
тельно, расчетная норма пропорциональна значению путевого расхода
топлива
Сну
= (DWX 1000’
где (zHy — норма расхода топлива на установку, кг/ч; v3 — заданная
(плановая) эксплуатационная скорость, миль/ч,
и имеет вид
ДГ.
/постр
(DW)v3
1000,
+ &вм + k8c)
162
где Л/постр “ построечная мощность главных дизелей, кВт; к^ — коэффици-
ент использования построечной мощности главных дизелей; &гд, gBM, g. —
удельные расходы условного топлива на главные дизели, вспомогательные
дизели, в режимах маневрирования и на стоянке, отнесенные к постро-
ечной мощности главных дизелей; к — коэффициент стояночного време-
ни и маневренных режимов; Е — увеличение расхода топлива в связи с
мотокотлочистками, ремонтом и пр. (1,01—1,02); тэ — расчетная эксплуа-
тационная скорость, миль/ч.
Эксплуатационный норматив расхода топлива Вп с 1980 г. ис-
пользуют для сквозного нормирования на всех уровнях от груп-
пы до отдельных судов. Экономия топлива определяется сопос-
тавлением фактического его расхода за месяц Бм, кг/1000 т-миль,
DW и пройденного расстояния 5М, т. е.
Бф = BM/(DW)5-1000.
По отношению к расходу топлива по нормативному показате-
лю Вп относительная экономия топлива, %,
А*/Бн = (1 - бф/бн)юо.
В заключение отметим, что выполнение нормы Бн и эконо-
мия топлива во многом зависят от использования экономичных
скоростей хода. Следовательно, наряду с экономией топлива для
общей эффективности работы судов обязательно выполнение
нормативных или рейсовых скоростей хода.
Пример для теплохода "Красноград”. За месяц судно прошло
1670 миль, израсходовав 209,3 т условного топлива. Дедвейт судна
11 800 т. Фактический удельный расход топлива
209,3 • 1000
11 8 1670 ~ 10,62 кг/1000 т • миль.
При норме 10,9 кг/1000 т-миль имеем экономию топлива
ДБ = 100(1 - 10,62 : 10,9) - 2,6 %;
при норме 10,5 кг на 1000 т-миль имеем перерасход
ДБ — 100(1 - 10,62 : 10,5) - -1,145 %.
Нормирование расхода масла. Нормы на масло задаются в ки-
лограммах на судо-час для режимов работы на ходу Дх с учетом
времени маневров, на стоянке с перегрузочными операциями Дг
и на стоянке без перегрузки Дбг. Общий нормированный расход
масла на ходу и маневрах за время соответственно Z* и соста-
вит Дх = Дх(2^ + ZM), на стоянках с перегрузочными операциями
Дг = Дг^ и без перегрузки Д£г ~ Дбг^бг определяется суммой
д; =д; +Д'+Дът.
163
6*
Результаты использования масла оцениваются сопоставлени-
ем фактического Дф и нормированного Дн' расходов и процента-
ми экономии или перерасхода масла:
ДД=(1 -Дф'/Дн^ЮО.
Нормы расхода топлива и масла также указываются в карте
норм судна на текущий год.
4.2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМОВ
Общие сведения. С нормированием мощности, расходов топ-^
лива и скорости судов непосредственно связаны задачи модели-
рования режимов СДУ в широком спектре нагрузок, частот вра-
щения винта и скорости судна. Моделирование как бы расширя-
ет понятие энергоресурсоиспользования и на этой основе дает
возможность осуществлять текущий контроль параметров и вы-
бор оптимальных режимов в конкретных рейсовых ситуациях и
при планировании графиков движения судов. Общая схема моде-
лирования режимов строится на закономерностях зависимости
функциональных показателей работы энергетической установки
от частоты вращения винта и скорости судна.
В дополнение к общим теплотехническим параметрам (мощ-
ность, скорость, расходы топлива) в рассмотрение вводятся ком-
плексные показатели: путевые расходы топлива, масла, выраба-
тывание ресурса, общие эксплуатационные затраты на судно во
время хода. Рассмотрим их связи с техническими и режимными
факторами в реальных условиях работы судна.
Путевой расход топлива. Значение этого показателя пропор-
ционально норме расхода топлива на эксплуатационный измери-
тель 1000 т-миль дедвейта DW:
= Gy/v - By/(DW)S.
Зависимость потребления топлива на 1 милю пройденного
расстояния в функции скорости gv(v) определяется отношением
текущих значений gv = Gy/v к базовому = Gy^/v0 (индекс
"ноль"):
Sv ~ Sv/Svq ~ ^y/V.
Относительные значения расхода топлива 77 = GJ G и от-
Л J Z()
носительной скорости v — v/vQ на текущем режиме характери-
164
зуются осредненными значениями Gy, кг/ч, и у, миль/ч (вахту,
сутки).
С формулами для относительного снижения расхода топлива
на установку 7лу мы уже встречались в п. 3.8 при анализе эконо-
мичности работы установки. Там эта величина была представле-
на отношением ~Gy = G'/Gy для схем утилизации I—V при неиз-
менном режиме работы (Nerjk = const, v — const), т. e. рассматри-
валось влияние на 72у только технических факторов (средств ути-
лизации, валогенераторов).
Дополним полученные выражения для 7jy соотношением, учи-
тывающим режимные изменения расхода топлива на главные ди-
зели:
^гд/ Gy^ Gra СГД() /( <7ГДо ) &гд^етд^Ь-
Тогда зависимость gv(Ne, v) при неизменном расходе топлива
на вспомогательные нужды
&егд^егд^0 + ^0 + ^0
gv =---------р--------- (4.1)
или с учетом равенства Уо 4- Zq = 1 — Xq
&?гдМ?гдЛэ 1 Л)
gv “ = + ~ (4.2)
Следовательно, изменение путевого расхода топлива на раз-
личных режимах определяется, суммой путевых расходов на глав-
ные дизели #ГГд ~ £егдХ?гд^о/v и на вспомогательное потребле-
ние gBCn = (1 - Xq)/v.
Рассмотрим зависимость g^v), £Вспб0 подробнее. Для водо-
измещающих судов при работе главных дизелей на ВФШ по ус-
ловиям автомодельности характеристик винта и сопротивления
корпуса мощность ^гд пропорциональна частоте вращения или
скорости в кубе:
^гд = V = (4.3)
Постоянные 7?v зависят от внешних факторов, влияющих
на изменение сопротивления движению судна (ветер, волнение,
мелководье, состояние корпуса, винта). Они представляют со-
бой отношение постоянных Z?v в текущих условиях работы
165
судна к значениям СЛо, CVq при нормированных условиях
Q = сп/сп^ cv = cv/cv^.
Очевидно, при фиксированной осадке и загрузке судна в нор-
мируемых условиях = Cv = 1 и ^гд — п3 = у3, т. е. соблюдает-
ся пропорциональность частоты вращения винта и скорости суд-
на п ~ V.
По сравнению с ВФШ при работе главных дизелей на ВРШ
характеристика сопротивления = T^v3 сохраняется, но для
обеспечения заданной скорости на режимах v < 1 вследствие
снижения КПД винта требуется большая мощность. Наибольшие
дополнительные затраты мощности на ВРШ при уменьшении
шага имеем на режимах п = const (кривая 2, см. рис. 2.18). При
нулевой скорости (у = 0) на преодоление сопротивлений ВРШ
расходуется до 25—30 % мощности полного хода [коэффициент
р “ (^егд)у = о/^егдо = 0’25 0,3]. На режимах комбинированно-
го управления (п = var, TI = var) дополнительные затраты мощ-
ности меньше и Р = 0,12 -г- 0,15.
Особенности задания режимов при работе главных дизелей на
ВРШ учитываются характеристикой ВРШ (см. п. 2.4):
^егд = + Л1 -^), (4.4)
где разность (^егд — ТуУ3) аппроксимируется квадратичной пара-
болой А^гд = Р(1 — у2) (линия 1 на рис. 2.18). С учетом соотно-
шений для 7?етд(у) формулы путевого расхода топлива на главный
дизель представим при работе на ВФЩ и ВРШ соответственно:
- =- - =" + Л1 ~р2) г
<§угд £егд £угд £егд Ао«
Таким образом, для главных дизелей путевое потребление то-
плива выражается параболическими зависимостями (рис. 4.3, а).
Обратимся теперь к виду характеристики путевого расхода на
вспомогательные нужды gBcn = (1 — XQ)/v. В формулах (4.1) и
(4.2) величина I — Хо = Yo + Zq была принята постоянной, не за-
висящей от режима, _что_ подтверждается практикой эксплуата-
ции. Тогда равенству gBcny ~ 1 ” Л) “ const на рис. 4.3 соответст-
вует равнобокая гипербола.
166
Рис. 4.3. Относительные путевые расходы топлива
Характеристики суммарного путевого расхода на установку
при работе на ВФШ и ВРШ соответственно:
_ Cvv3 + Р( 1 - v2) 1 - %0
Sv ~ &гд +
На рис. 4.3, а приведены кривые g/ijj для базового значения
= 0,9 при &гд =** 1 и Tv = 1 (нормированное условие плавания).
Допущение о неизменности удельного расхода топлива на главные
дизели (^егд = 1) не оказывает заметного влияния на вид кривой gv,
особенно в области рабочих режимов полного хода (7?стд > 50 %,
0,8 < v < 1), где поправка на не превышает 2 %. При необходи-
мости она вводится на основании аппроксимации характеристики
экономичности главного дизеля в поле рабочих режимов и парамет-
ров внешней среды (давления и температур воздуха в МО и заборт-
ной воды).
Определяющее влияние на вид суммарного путевого расхода ока-
зывает изменение скорости хода. По отношению к линии скорости 1
формируются две области gv < v и gv > v. В начальной фазе gv снижа-
ется значительно быстрее скорости v, что характерно для режимов
экономичного хода. Границей рационального снижения скорости мо-
жет быть значение vopt = 0,7 4- 0,8, при которой имеем максимум раз-
ности ординат (v — gv) -» max (рис. 4.3, б). Как показывают данные
табл. 4.2, с увеличением %0 эта граница отодвигается с сторону мень-
ших значений v, а выигрыш в gv (разность v — gv) возрастает. Так, при
Ao = 1 условию (v — gv) -» max соответствуют v = 0,5, a gv — 0,25, т. е.
теоретически при снижении скорости в 2 раза путевой расход топлива
167
Таблица 4.2
ЛЬ ВФШ ВРШ
Р = 0,15 (комбинирован- ное управление) Р = 0,2 (п ~ const)
VonTl мч Sv vodt1 gv ГОПТ1
1,0 0,5 0,25 0,67 0,52 0,70 0,58
0,95 0,6 0,43 0,72 0,62 0,75 0,66
0,9 0,68 0,56 0,77 0,71 0,8 0,75
0,85 0,75 0,68 0,82 0,78 0,85 0,82
0,8 0,81 0,77 0,88 0,86 0,90 0,88
уменьшается в 4 раза. Наоборот, при больших расходах на вспомога-
тельные нужды (1 — Xq) = 0,3 снижение скорости сопровождается уве-
личением путевого расхода топлива и область режимов экономичного
хода отсутствует.
Таким образом, влияние режимного фактора на параметр
gv(y) существенно корректируется долевым расходом топлива
на вспомогательные нужды, поэтому важно на режимах эко-
номичного хода сохранять в действии систему утилизации.
При отключении утилизационных устройств (обычно на ре-
жимах среднего хода ^егд < 50 %, у < 0,8) получаем скачко-
образное увеличение gv. Это обстоятельство обычно прини-
мают во внимание при практической реализации режимов
экономичного хода. Длительная работа при мощности
Л^гд < 50 % также не рекомендуется по причине интенсивно-
го загрязнения поверхностей нагрева утилизационного кот-
ла, выпускного тракта и отложений нагара в цилиндрах и
подпоршневых пространствах.
Рассмотрим, как в основные соотношения для путевого
расхода топлива включается технический фактор, т. е. ис-
пользование средств утилизации, валогенераторов. Ранее для
схем утилизации I—V были получены формулы расхода топ-
лива на установку 7jy = Gy/Gy при сохранении режима рабо-
ты судна (У€ГД — idem, v = idem). Если учесть изменение рас-
хода топлива на главные двигатели &>Гд^егд вследствие изме-
нения режима, то получим зависимости gv(y), отражающие
совместное влияние режимного и технического факторов.
Для общего случая системы глубокой утилизации с турбо-
генератором (схема III) при частичном замещении вспомога-
168
тельного котла (Kz < 1) и вспомогательных двигателей
(КУ < 1)
— v 1 ~~ + (I ~ ^)^0^вк
Sv = £>гд-----А) + -----------, (4.5)
где £еГД — величина, учитывающая возможное снижение КПД
главного дизеля из-за повышенного сопротивления выпускного
тракта при работе с включенным утилизационным котлом; 7?егд —
относительная мощность, отдаваемая на ВФШ или ВРШ [определя-
ется по формулам (4.3) и (4.4); для нормированных условий плава-
ния Tv = 1 или с учетом влияния внешних факторов 1];
£вк•= Лвк/П'вк “' удельная теплопроизводительность ВК.
Для общего случая схемы V (главный дизель с системой
турбокомпаунд и валогенератором) режимы ГД при полном
замещении вспомогательного котла утилизационным
(Kz — 1) и дизель-генераторов валогенератором (Ку = 1)
- __ - £егдУегд -- ^вг ^ст
Sv “ &Тд(вг) “ Ло + £/Гд - Ло,
(4-6)
где 1/гд(вг) ” величина, характеризующая изменение индикаторно-
го удельного расхода топлива на ГД (без ВГ и СТ) при переходе к
режиму PT-I —РТ-0 при V= 1, а для слагаемого расхода топлива на
вспомогательные нужды учитывается и изменение &-гд; 5ВГ, 8СТ —
величины, относящиеся к исходному режиму при v — 1.
Для варианта с неполным замещением принимают во
внимание относительные расходы топлива на ВК и ВД при
их совместной работе с утилизационным котлом и валогене-
ратором с коэффициентами замещения Kz < 1 и Куът < 1:
— — <?егд^егд v — л ^вг ~~ ^ст (1 — ^уВг) ^р£евд + (1 ~~ ^)^р£вк
Sv ~ &'гд “ Л) + S /тд ” Л) + -
Рассмотрим использование зависимостей gv(v) в оценке
эффективности валогенераторов.
В эксплуатации СЭУ с валогенераторами при работе на
ВРШ иногда для увеличения скорости судна прибегают к от-
ключению ВГ. Если такой режим сопровождается увеличе-
нием шага винта, то одновременно достигается и снижение
путевого расхода топлива. Покажем это на примере исполь-
169
Рис. 4.4. Оценка работы на режиме ВРШ + ВГ:
1 — п = const; 2 — п = var, Н = var; 3 — п = var, Н = const; Гтел — положение телеграфа
зования формулы (4.6), где надо положить 5СТ = 0. Полагаем,
что исходный режим характеризуется только расходами топ-
лива на ГД и ВД, т. е. Хо + Го = 1. Тогда относительный путе-
вой расход топлива при работе СЭУ с валогенератором при
полном замещении ВД
_ - ёегд^егдХо _, ^Br^Q
Sv ~ &гд(вг) ’ + Sirg - •
Мощность, отдаваемая на ВРЩ на режимах п = const,
^егд ~ V + ~ v2) ПРИ Р ~ 0»27 (рис. 4.4, а, кривая J).
С переходом на энергоснабжение от дизель-генераторов
Sv Serg^evgXQ/v + Tq/v,
где 1?етд(г) зависит от вида характеристики комбинированного управ-
ления шагом винта и частотой вращения.
При сохранении шага винта и п = var на участке Н = const
(кривая 5) 1?егд = T’yV3.
При Я= var и п = var (кривая 2) "Кега = + Р(1 — v2),
где Р' = 0,15.
Принимая параметры базового режима Хо = 0,94, Уо = 0,06
и 5ВГ = Yo/Xo = 0,0638, при v = 0,9, g/гд = h &тд = h I и
170
Р — 0,27 для режима п = const с валогенератором (точка 7,
см. рис. 4.4, а), получим
X 5
gv = [V3 + Л1 -Т2)]-^ + = [0,93 + 0,27(1 - 0,92)1 х
v v
0,94 0,94 • 0,0638
0,9 + 0,9
= 0,8784.
При отключении валогенератора на режиме Н — const,
п = var (точка 3)
- -э э 0,06
gv = + - = 0,92 • 0,94 + -gj = 0,826,
на режиме Н = var, п = var при Р = 0,12 (точка 2)
+ = [0,93 + (
V V
0.8487.
Таким образом, по отношению к gv — 1 базового режима
(точка О) путевые расходы на режимах 7, 2 и 3 при v = 0,9 соот-
ветственно снижаются на 12,2; 16,2 и 17,4 %. Наибольшее сни-
жение gv имеем при Н = const. Этим обстоятельством объясняет-
ся преимущественное задание характеристик комбинированного
управления ВРШ ломаной линией 3 с участком Н = const
(рис. 4.4, б). Однако при работе на режимах 2 и 3 с отключенным
валогенератором теряются его важные преимущества: исключение
потребления дорогостоящего дизельного топлива, уменьшение
расхода масла и затрат на ТО дизель-генераторов. Поэтому в со-
временных установках с ВРШ также предусматривается использо-
вание валогенераторов в скоростном диапазоне 70%<и<110%.
Как отмечалось в п. 3.7, для привода ВГ в этом случае также
применяют планетарные редукторы со стабилизацией частоты
вращения. Они характеризуются меньшим КПД, и эффектив-
ность топливоиспользования на режимах 2 и 3 с валогенератором
несколько ухудшается. Так, в рассматриваемом примере при
снижении КПД редуктора с 0,98 до 0,9 относительная мощность,
отбираемая от вала ГД на привод ВГ, возрастает с 8ВГ = 0,0638 до
171
5'вг = 0,0638 • 0,98/0,9 = 0,0695. Соответственно на режиме
Н = const (точка 5) с валогенератором
gv = 7х0 +
= 0,92 • 0,94 +
0,94 • 0,0695
0,9
= 0,8327,
т. е. по сравнению с базовым режимом снижение gv составляет
16,7 %, что, однако, является существенно лучшим результатом,
чем на режиме в точке 1 при п = const.
Таким образом, зависимости gv(v) позволяют учитывать сум-
марное влияние режимных и технических факторов на путевой
расход топлива по отношению к базовому g , т. е. без использо-
вания утилизационных устройств и валогенераторов при исход-
ной скорости полного хода v — 1, постоянной ~CV — 1 для норми-
рованных условий плавания, состояния корпуса и винта.
Следующим шагом является учет влияния внешних факторов на
сопротивление движению судна (ветер, волнение, осадка и др.) в
реальных условиях эксплуатации.
На основании измерения скорости v и частоты вращения п на
текущем режиме и сопоставления их с нормированными значе-
ниями vq и «о постоянную в различных условиях плавания
определяют по формуле (см. п. 2.2)
п
шпах
л max
~ 1)у/л.
(4.7)
Из равенства мощностей = ~Спгг* = TpV3
= 7?„(W
(4.8)
При работе на ВРШ постоянную ~CV характеристики сопротив-
ления корпуса также определяют из соотношений (4.7) и (4.8), но
только при условии Н = const, т. е. на основании замеров скоро-
сти и частоты вращения на режимах, для которых шаг винта оди-
наковый со значением Н в нормированных условиях. Найденное
значение Tv сохраняется неизменным для всех текущих значений
мощности ^era(v), отдаваемой ВРШ на режимах п = const.
В случае задания режимов работы судна в соответствии_с про-
граммной зависимостью мощности 7?етд(п) или момента Мега(п)
(комбинированное управление ВРШ и ГД, работа с включен-
ным регулятором нагрузки ГД) изменение внешних условий
компенсируется изменением шага и для определения мощности
достаточно одного параметра — частоты вращения.
172
Путевой расход масла. Этот комплексный параметр энергоис-
пользования имеет вид
&MV
где бму — расход масла на установку, кг/ч; v — скорость судна, миль/ч.
В относительных величинах gMV = £MV/SMVo = ^муД
Величина бму в среднем составляет около 1 % расхода топли-
ва бу, но, учитывая его примерно 10-кратную стоимость по от-
ношению к стоимости топлива, расхода масла существенно влия-
ет на экономические показатели работы судна и должен прини-
маться во внимание при назначении режимов.
Зависимость gMV(v) устанавливается из рассмотрения суммы
расходов масла на главные Хмо = ^МГДо/С’му и вспомогательные
(1 — Хм0) дизели на исходном режиме полного хода:
Smv "^мгл^мо/у (1 AMg)/v.
(4.9)
Их значения полагаются известными по данным нормирова-
ния расхода масла. В формуле (4.9) величина 7?мгд обычно выра-
жается через частоту вращения или удельный расход масла и мощ-
ность Смгд — Д™ главных дизелей с подачей масла на
смазывание цилиндров насосами1 вне зависимости от подачи_топ-
лива расход масла пропорционален частоте вращения 77мгд = п.
Удельный расход масла gMe ~ Смгд/^егд ” ПРИ работе на
ВФШ изменяется по закону квадратичной гиперболы: gM^? =
=1 — const. Тогда путевой расход масла на установку = nX^/v +
+ (l-XM0)/u
Для нормируемых условий n/v = 1 и путевой расход масла на
главный дизель сохраняется постоянным £мгд = А^о, а на уста-
новку изменяется по закону не_равнобокой гиперболы (кривая 7,
рис. 4.5) gMV = %m0 + (1 - AmoVv. _
Следствием такого изменения gMV(v) являются два обстоятель-
ства. На режимах экономичного хода расход масла возрастает и
усиливаются отложения нагара в подпоршневых пространствах,
выпускных трубопроводах и утилизационном котле, поэтому в
целях экономии масла и уменьшения отложений в трактах в
привод смазочных насосов вводят дополнительные связи с от-
*В практике морской эксплуатации смазочный насос называют лубрикатором.
173
Рис. 4.5. Относительные пу-
тевые расходы масла на уста-
новку для различных спосо-
бов подачи масла на смазы-
вание цилиндров:
1 — без коррекции привода сма-
зочных насосов; 2, 3 — с коррек-
цией изусловия соответственно
^мгд ~ "^егд и ^мгд — ^етд
сечным валом ТНВД и подачу масла согласуют с подачей топ-
лива.
Для двигателей МАН—Бурмейстер и Вайн типа МС эта связь
выражается пропорциональной зависимостью 77М1Д от крутящего
момента Тогда при работе на ВФШ (7МГД = 7^7? = "С,, г2. и
относительный путевой расход guv = "CvvXMo + (1 ~ A"Mo)/v.
В нормированных условиях (Tv =1) величина gMra изменяется
пропорционально скорости, а на вспомогательные дизели — в соот-
ветствии с гиперболической зависимостью = 1 — Хм0 = const.
Суммарное изменение gMV(v) соответствует кривой 2 (см. рис. 4.5).
Возможным пределом снижения расхода масла _могло бы
быть условие постоянства удельного расхода масла gMe = const
на режимах винтовой характеристики. Это условие реализовано в
системе привода смазочных насосов дизелей Зульцер типа RTA.
Подача масла согласуется с подачей топлива таким образом, что
соблюдается пропорциональность часового расхода масла и мощ-
ности 7?мгд = "Кега = Т„7г = ТЗ?. Тогда для путевого расхода на
установку имеем зависимость, аналогичную gv(v), т. е.
gMV = ^v™mO + (1 ~ Л<о)А- В этом случае в области режимов
экономичного хода достигается некоторый выигрыш в снижении
путевого расхода масла по отношению к снижению скорости (см.
кривую 3 на рис. 4.5).
Для тронковых дизелей, работающих на ВРШ, путевой рас-
ход масла
Smv ~ ^мгд^моА + (1 —
174
где 7?мгд — относительное изменение расхода масла, можно принять
пропорциональным частоте вращения (<7МГД = п) или крутящему момен-
ту (^мгд
Относительный ресурс главных дизелей до переборки. Затраты
на обслуживание, запасные части и текущий ремонт составляют
значительную часть эксплуатационных расходов. Их зависи-
мость от режима работы подтверждается практикой эксплуата-
ции. Обычно нагрузки главных дизелей на режиме полного хода
составляют 70—80 % спецификационной мощности. При этом
учитывается, что скорость судна не только определяет эффектив-
ность перевозок, но имеет важное значение по соображениям
надежности и безопасности мореплавания.
В качестве параметра, отражающего связи эксплуатационных
затрат на ТО с режимом работы главных дизелей может высту-
пать обобщенный показатель надежности — относительный ре-
сурс ГД до переборки.
Ресурсные характеристики ГД находятся в сложной зависимо-
сти от конструктивных, технологических и эксплуатационных
факторов. Реальные наработки до переборки (в часах) могут быть
установлены на основании обобщения опыта эксплуатации дизе-
лей конкретных типов. Сложнее обстоит дело с установлением
аналитических связей ресурса с режимными факторами. Предпо-
сылками к этим связям являются известные зависимости показа-
телей тепломеханической нагруженности дизелей от частоты вра-
щения (скорости судна для нормированных_условий):
тепловая нагрузка цилиндра <?ср = (75е^е)л?0ХЛ;
температурные напряжения <5t — <7ср;
температурный перепад в стенках д7ст = ^ср;
удельная поршневая мощность (Р^т) = (Р^е)п;
коэффициент вырабатывания ресурса 1/7? = KoNerji/K.
Примечание. 7^е = 7*$,- эквивалентны цикловой подаче топли-
ва при работе на ВФШ gu = (^„й2^); <?Охл — изменение относитель-
ного теплоотвода в стенки.
Для главных дизелей определяющей их изменение при
1егд ~ const является мощность 7$era ~ ~ "Су* или
^егд = V + Л1 ~ v2)- Для целей моделирования эксплуатаци-
онных режимов с учетом вырабатывания ресурса наиболее харак-
терна относительная величина остаточного ресурса до перебор-
ки (моточистки)
7? = Х/(ХЬЯгд).
(4.10)
где К — режимный коэффициент ресурса (рис. 4.6).
175
Рис. 4.6. Режимный коэффициент
ресурса
Рис. 4.7. Режимные характеристики 1/R:
1 — Kq — 0,55 при — 1; 2 — К$ == 0,8 при
KN = 0,725; 3 — Kq = 1 при KN = 0,5
Формула (4.10) получена в ЦНИДИ1 на основании обработки
большого объема статистических данных специальных ресурсных
испытаний дизелей типа М50 в широком спектре скоростных и
нагрузочных режимов. Обратная величина 1/R = KqN^/K мо-
жет рассматриваться как характерный параметр вырабатывания
ресурса, корректирующий наработок на ресурс т с учетом режим-
ного фактора трес = (1/7?)т. По аналогии с показателями тепло-
механической нагруженное™ параметр 1 /7? пропорционален
мощности. Влияние нагарообразования, ускоряющего вырабаты-
вание ресурса, учитывается отношением режимных коэффициен-
тов ресурса К$/К, а именно — при значении KN исходной
мощности полного хода
егд = ^ГДо/^гдпостр; К - при значе-
нии мощности текущего режима Nen
Nern/ Nemnoctp
На рис. 4.6 представлена кривая из которой следует,
что с уменьшением Wer4 до 0,5 Л^постр» коэффициент К интен-
сивно возрастает до Ктах = 1, а затем резко снижается. Такой ха-
рактер изменения А^(7?егд) объясняется выходом на оптимальные
тепломеханические нагрузки при 7?егд ~ 0,5, когда относитель-
ный ресурс R ~ R/Rq достигает максимума, а параметр 1 /R —
минимума. При ^гд < 0,5 наблюдается обратная картина: из-за
нагарообразования в цилиндрах величина ~R уменьшается, не-
1 Центральный научно-исследовательский дизельный институт.
176
смотря на снижение мощности. Такой характер изменения ресурса
до переборки согласуется с практикой. Длительная работа дизеля
на режимах малого хода сопровождается уменьшением периодов
между моточистками. Изменение коэффициента вырабатывания
ресурса зависит от значения К$, т. е. от мощности ^гд (рис. 4.7).
В областидэежимов экономичного хода (0,8 < v < 1,0) снижение
параметра 1/R (при К$ — 0,55; 0,8) преобладает над уменьшением
скорости, поэтому по сравнению с вырабатыванием ресурса то на
режиме полного хода (v = 1) за время тэх экономичного хода эко-
номия ресурса Дтрес на дистанции S определяется разностью
Д^рес — ^0 — ^Тэх- (4-11)
Постановкой т0 = 5/v0 и тэх = S/v3X выражение (4.11) преоб-
разуется к виду
А^рес = (V - 1 Д)тэх. (4.12)
Согласно рис. 4.7 имеем область значений у, где разность
(у — 1/7?) наибольшая, что при определенных обстоятельствах
также может служить ориентиром при назначении эффективно-
го экономичного хода.
Заметим, что расчетное увеличение наработка на значение Дтрес
обусловлено влиянием только режимного фактора и не может
непосредственно закладываться в нормируемые показатели ре-
сурса. Оно имеет рекомендательное значение при корректирова-
нии сроков между моточистками, которые для конкретных дизе-
лей устанавливаются на основании обобщения опыта эксплуата-
ции и назначаемых режимов работы.
Формирование базовых условий. Зависимости gv, gMV, 1/7? от
скорости позволяют в относительных величинах оценивать
изменение путевых расходов топлива, масла, ресурса, следова-
тельно, и стоимости эксплуатации судна по сравнению с данны-
ми нормированного базового режима полного хода, для которого
полагаются известными: долевые расходы топлива, масла, задан-
ная мощность Ne3, а также базовые значения скорости v0 = vT,
частоты вращения расходов топлива Gy , <?гд , ^вд0’ ^вк0’
масла <7муо, (7МГДои соответствующие путевые расходы.
Начальные условия работы энергоустановки без использова-
ния утилизационных устройств и валогенераторов формируются
на основании данных теплотехнических испытаний и составляют
177
нормативную базу работы судов в нормальных условиях плава-
ния в_ летнее и _зимнее время. Безразмерные характеристики
gv(v), JMV(v), l/7J(v) дополняют картину энергоресурсоиспользо-
вания в диапазоне эксплуатационных мощностей полного хода
50 % < < 100 %. Переход к размерным значениям осуществ-
ляется через соответствующие базовые величины исходного ре-
жима полного хода gv = gvgV(j, gm = guvgVLVo, трес = (1Д)т0-
В конкретных рейсовых условиях параметры работы установ-
ки могут существенно отличаться от нормируемых вследствие
подключения утилизационных устройств, валогенератора, влия-
ния внешних условий, режима работы главных и вспомогатель-
ных дизелей. Очевидно, для сопоставления эксплуатационных
режимов требуется формирование и новой базы данных режима
полного хода. Прежде всего в их число входят конкретные значе-
ния скорости полного хода г0 и частоты вращения винта nQ, по
отношению к которым в дальнейшем будут оцениваться безраз-
мерные параметры v=v/vq, п — п/п$ на частичных режимах.
Остальные базовые параметры находят на основании нормируе-
мых начальных условий с учетом работы системы утилизации,
влияния внешних факторов и режима нагружения СЭУ.
Так, в формулах для gv(v) новые долевые расходы топлива на
текущем режиме полного хода:
4 GBKZ0/Gy
(4.13)
или /0 = 1 -(А'о + Уо).
Здесь относительные расходы топлива на ГД, ВД, ВК для об-
щего случая утилизации по схеме III:
а относительный расход топлива на установку
Ъу ~ &?гд^гД0^Ь 4* £^(1 “ Ку)Уо 4 &вк(1 ~
178
Мощность, отдаваемая на винт, при новой базовой скорости
v0 по отношению к #егд при v0 в начальных условиях
ЛДд0 = Cv(vo)3 при работе на ВФШ и ВРШ соответственно
Х?гд0 = Cv(Vo)3 + Л1 - (Vo)2],
где Tv — постоянная характеристика ^гд0(^), определяемая из соотно-
шений (4.7) и (4.8) при v = vq До и п = п*0 /п$.
Подстановка в (4.13) приводит выражения для новых долевых
расходов топлива к виду:
<?егд-^егдо^О
^егд^егд0Л) + &вд( 1 _ Ку) У) + &вк( 1 ~
£евд( 1 Ку) Х0
&егд NcvjIqKq + &евд( 1 ~ Ку) Уд + gBK( 1 — Kz)Zq
&вк(1 “ Kz)Zq
&евд Л^гдо^о + &евд( “ Ку) Kq + &вк( 1 ” Kz)Zq
(4.14)
или Уо - 1 - (Yq + Уо).
При полном замещении вспомогательных дизелей (Ку = 1) и
вспомогательных котлов (Х7=1) в новых базовых условиях
Ар
4 ~ Ь >о - ° и /0 - 0.
В схеме V с использованием утилизационного котла и валоге-
нератора для общего случая частичного замещения (Kz < 1),
(Аувг < 1) по сравнению с расходами топлива в.условиях базового
нормируемого режима относительные расходы на ГД, ВД, ВК в
новых условиях будут:
на пропульсивную мощность главного дизеля 7лгд =
w " t 1 I
— &д(вг)#егд ^тд0
на отбираемую мощность ГД в связи с энергоснабжением от
валогенератора 7лгд(вг) = &гд£<гд(вг) 8ВГ;
на вспомогательные дизели 7лвд = 1евд(1 — К^У,
на вспомогательные котлы 7/вк = gBK(l ~ К^У
179
Соответственно общий относительный расход топлива на ус-
тановку в новых условиях по сравнению с базовым
&у ~~ &'гд£егд А^Гд0 Aq &гд(вг)£*гд $вг^Ч) + £евдО — ^увг)^Ь &вкО ~~
гДе &гд>£егд ~ изменения удельных расходов топлива, обусловленные
режимным изменением пропульсивной составляющей мощности ГД;
£/гд(вг) “ относительный удельный индикаторный расход топлива на ГД,
вызванный включением валогенератора при неизменной отдаче мощно-
сти на винт.
Слагаемое &Гд(ВГ)&тд 5ВЛ характеризует относительное уве-
личение расхода топлива на ГД, обусловленное отбором мощно-
сти на валогенератор.
Новые доли расхода топлива на главное и вспомогательное
потребление для общего случая схемы V будут:
- -1 _ •
£/Тд (вг) Se гд Ne гд Q ^0
X ___ f ,------—----------------- - .
° £/гд(вг)#егд М?гд0 *0 + ^’гдСвг^'/гд^вЛ + £евд<1 " *0 + ^вк^1 “ *
£/Тд(вг)£/'гд5Вг'*0 * £евд<1 ^УвР *0
(4.15)
#/гд(вг)£егл М?гд0^0 + ^/гд(вг)^'/тд5вг^Ь + ^евд(1 “ ^0 +
В условиях полного замещения вспомогательных дизелей
(А^вг = 1) и котла (Kz =1) выражения существенно упрощаются,
а именно на главное потребление
^Тд(вг)^егд№гдо^О ^егдА^егд0
У10 — — 1 ~ I ** — „ “ < 1 — }
&/тд(вг)£егд А^гдо^о + ^Тд^'/гд^вгЛ) ^«гд Л^гд0 + ^’/гд^вг
и на электроснабжение
Уо = 1-А"0.
Если новому базовому режиму соответствует нормированный
I
режим полного хода, т. е. УегДо = АгегДо, то £етд = 1, &гд = 1,
л4гд0 = 1 и новая доля Хо = 1/(1 + 5ВГ).
180
Относительную мощность, отбираемую от вала главного дизе-
ля на валогенератор при неизменной пропульсивной мощности
главного дизеля Ne = idem, определяют путем индицирова-
ния дизеля 8ВГ = (А,гд(Вг) — ^гд)/^/гд или по формуле (3.12) из
условия замещения вспомогательных дизелей.
В условиях нового режима полного хода базовое значение пу-
тевого расхода топлива на установку g^ = G'y /v'o = GyG /(Wq)
также осредняется за час, вахту или сутки.
По отношению к g^ изменение относительного путевого рас-
хода при новом долевом расходе Хо
Sv ~ Зегд^егд,/V + <?/гд О ~
Таким образом, в конкретных рейсовых условиях имеется воз-
можность оценить эффективность назначаемых скоростей судна
с точки зрения энергоресурсоиспользования и себестоимости
его эксплуатации.
4.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПАРЦИАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ В МНОГОМАШИННОЙ
УСТАНОВКЕ
Рассмотрим некоторые дополнительные возможности эконо-
мии энергоресурсов в многомашинных установках с редукторной
передачей и многовальных, работающих на гребные винты посто-
янного и переменного шага при так называемом парциальном от-
боре мощности главных дизелей. Парциальные режимы получают
путем остановки части дизелей и нагружении оставшихся до до-
пустимого уровня нагрузки. Следовательно, в этих условиях не
имеют значения соображения об ограничении скорости по мини-
мально допустимой длительной мощности главных дизелей
Ne = 45 -г- 50 %. Отсюда и использование парциальных режимов в
основном при движении судов со скоростью vcp ниже ограничи-
тельной vorp с целью дополнительного снижения расходов топли-
ва, масла, ресурса. Иногда парциальные режимы являются вынуж-
денными из-за неисправностей одного или нескольких дизелей.
Целесообразность перехода к парциальной работе определяет-
ся также условиями выбора режима экономичного хода. А имен-
но, если, например, на теплоходе с двухмашинной установкой по
условиям выполнения рейса на каком-то участке имеется резерв
времени и можно следовать с пониженной скоростью vcp на од-
181
ном главном дизеле (обычно при vcp < vorp), то прежде всего про-
веряют возможность обеспечения этого режима без перегрузки ра-
ботающего дизеля. Из выражения для мощности главных дизелей
многомашинной установки == ^раб^раб = Су*3 = СпП3 или
при работе на ВРШ
Аегд = 0,^ + Р(1 ~ И- (4.16)
При v = vcp и коэффициенте парциальное™, например,
/раб ” 0,5 (отношение числа работающих дизелей /раб к общему
их числу i) относительная мощность работающего дизеля
^ераб — ^егдДраб-
Расчетное значение ^раб во избежание перегрузки главного
дизеля не должно превышать исходную нормированную мощ-
ность ДГеГд0 = 1* при работе на ВРШ с постоянной частотой вра-
щения = const, а при п < и работе на ВРШ — допустимую
мощность Л^доп “ в соответствии с рабочей ограничитель-
ной характеристикой Т^допС^) или программной зависимостью
^едоп(п) регулятора нагрузки при комбинированном управлении
шагом ВРШ и частотой вращения п. Если при заданных коэф-
фициенте парциальное™ /раб и скорости vcp условие
^ераб ^едоп не выполняется, то либо парциальный режим не-
возможен, либо требуется снижение скорости.
В формуле (4.16) следует обратить внимание на величин}7 Р’ —
отношение мощности главных дизелей при шаге нулевого упора
ж
77егд(7 = 0) к мощности полного хода Nera0 = 1, но уже в услови-
ях парциального режима. По отношению к исходному значению
Р величину Р‘ корректируют в связи с изменением пропульсив-
ного коэффициента, так как на режимах работы с неполным
числом дизелей во избежание их перегрузки шаг винта и его
КПД уменьшаются. Коррекция вводится поправочным множите-
лем Р' = кР. Очевидна зависимость к от коэффициента парци-
альности: при /раб — 1 коэффициент к = 1 и возрастает до
к = 1,04-г 1,05 при /раб = 0,5. Наиболее неблагоприятны усло-
вия на парциальных режимах в двухвальных установках, когда
при 7раб = 0,5 для удержания судна на курсе требуется кладка ру-
ля на борт до 5’ и более и гидродинамические потери дополни-
тельно возрастают.
*Обычно выполняется автоматически при переходе на программу управления
ВРШ с неполным числом работающих дизелей (см. рис. 2.22, б).
182
(4.17)
Дальнейшая технико-эксплуатационная оценка парциального
режима ведется, как и ранее, по показателям топливо-, масло- и
ресурсоиспользования. При определении путевого расхода топлива
учитывают дополнительное его снижение, если на парциальном
режиме останавливаются охлаждающие и смазочные насосы нера-
ботающих дизелей. Поправочный множитель ку — w/w0 (где w —
нагрузка электростанции на парциальном режиме, — на ис-
ходном режиме) вводится в составляющую относительного путе-
вого расхода топлива на электроснабжение установки: при ис-
пользовании вспомогательных дизель-генераторов = ку Уо; при
работе с валогенератором /Овг = &1&Гд5вгА(). Изменение путевого
расхода топлива на парциальном режиме по отношению к исход-
ному нормируемому режиму на режимах ГД + ВД и ГД + ВГ бу-
дет соответственно:
Sv ~ ^ егд^ераб + ^0 +
Sv ” &гд(вг)&’егдс^ераб;раб^()/^ + ^1#\‘гд5вг(^о + Zq)/n.
Здесь изменение относительных удельных расходов топлива
&?гд (^егд) и &Тд (^/гд) рассматривается только в области парци-
альных режимов при v < в зависимости от пропульсивной
"$еГД(г) и индикаторной 77/гд(у) мощностей. Кроме того, величи-
ной £/ГД(вг) учитывается изменение индикаторного КПД глав-
ных дизелей, вызываемое включением валогенератора на ис-
ходном режиме при v = у0 = 1. В многомашинных установках
изменение £еГд(Вг) незначительно, так как отбор мощности на
валогенератор обычно производится от суммирующего редукто-
ра и относительная мощность 8ВГ распределяется на все дизе-
ли. При работе с валогенератором на парциальном режиме, на-
оборот, мощность отбирается только от работающего дизеля, ее
относительное значение 8ВГ — ^i5Br/zpa6 возрастает и эффек-
тивный КПД дизеля снижается. В выражениях путевого расхо-
да (4.17) это учитывается величиной #егд, которая при переходе
к парциальному режиму у = уср, А^гд = 7?ераб составит
йгд ” £лд (1 + 8ВГ ). Отметим, что увеличение мощности до
Х?раб “ ^доп может сопровождаться повышением индикатор-
ного КПД, что,_однако, не компенсируется снижением меха-
нического КПД т|мгд = 1/(1 + 8*г ) на режиме ГД + ВГ.
Заметим, что для парциальных режимов также может рас-
сматриваться оптимизация скорости по расходу топлива из ус-
183
Рис. 4.8. Выбор оптимальной ско-
рости по расходу топлива теплохо-
дов типа "Норильск" при работе
двух ГД (кривая 1) и одного ГД
(кривая 2)
ловия А = (v — gv) —» max на основании построения зависимости
gv(v) по отношению к новому исходному режиму. В качестве та-
кового следует принять парциальный ^ежим при допускаемой
мощности работающих дизелей А^б ^едоп^раб^еГд0 и соответ-
ствующей скорости Vq = Vcpvo * Тогда при новом долевом расхо-
де топлива на пропульсивную мощность работающих дизе-
лей изменение gv(v) на всю установку рассчитывают по форму-
лам на режимах ГД + ВД и ГД + ВГ соответственно:
gv £егд ^егд^"/v + ( 1 л
Sv = ^егд^егд^о^Т + &ТдБвгА^/У+ ^q/V- J
(4.18)
Относительная скорость на текущем парциальном режиме
у = 1,0; 0,9; 0,8, a определяют по формулам (4.14) и (4.15)
в зависимости от использования средств утилизации и валоге-
нератора на исходном парциальном режиме. С отключением
части главных дизелей доля топлива на ГД уменьшается
(%0 < Хо), а на вспомогательное потребление (1 — А”о) возрас-
тает. Соответственно сужается область^ режимов (указана
стрелками), где gv < v, и условие А = (v — gv) —> шах достигает-
ся при меньшем снижении скорости г (рис. 4.8).
Выражения (4.18) используют и при оценке изменения gv(v)
на парциальных режимах по отношению к новому исходному те-
кущему режиму полного хода, для которого значение соот-
184
ветствует конкретным условиям работы энергетической установ-
ки и определяется по формулам (4.14) и (4.15).
При определении путевого расхода масла на парциальных режимах
учитывают характеристики расхода масла 6МГД(^ГД). Так, для средне-
оборотных дизелей Вяртсиля—Ваза ЧН 32/35 на режимах п = const в
диапазоне 70 < Ne < 100 % изменение часового расхода масла про-
порционально квадрату мощности 6МГД - А^гд .
По отношению к исходному нормируемому режиму относи-
тельный путевой расход масла на парциальных режимах ГД + ВД
и ГД + ВГ соответственно:
8му " *раб^мгд^м0(1 ~ 2fMo)/v, gMy — ,раб"^мгд^м0
Расход масла Смгд зависит от рабочей мощности А^раб на пар-
циальных режимах ГД + ВД и ГД + ВГ соответственно:
Обычно, стремятся к сохранению мощности работающих дизе-
лей, т. е. ТУераб = а следовательно, и (?мгд 1. Но и в этих ус-
ловиях значительная экономия масла является одним из досто-
инств парциального режима. Так, для двухмашинной установки
ролкера типа "Магнитогорск” (X = 0,96) при работе на одном
главном дизеле (zpa6 = 0,5; к\ = 0,7) с полной мощностью
^ераб = 1 скорость снижается на 30% (у = 0,7), а путевой расход
масла — на 27,5% (gMV = 0,725).
Значительный выигрыш на парциальных режимах получают
и в экономии ресурса главных дизелей. В многомашинных уста-
новках наработок учитывают отдельно по каждому дизелю. На
парциальном режиме ресурс до моточистки остановленных дизе-
лей сохраняется на уровне предыдущих значений. Для рабо-
тающих дизелей вырабатывание ресурса зависит от мощности
^ераб чеРез характеристический параметр 1/7? и от длительности
парциального режима: трес = ^траб- Очевидно, при WepaQ = 1 по-
лучаем трес = траб.
Что касается экономии ресурса по сравнению с ресурсом на
режиме полного хода, то для неработающих дизелей она равна
1 ^1
100 %, а для работающих экономия ресурса Дтрес = (v — =)—100
} К v
получается отрицательной, что объясняется увеличением време-
185
ни прохождения пути на парциальном режиме с мощностью
Л^раб, близкой или равной мощности на исходном режиме пол-
ного хода.
4.4. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СЭУ И СУДОВ
В ЭКСПЛУАТАЦИИ И ПРИ ПЛАНИРОВАНИИ РЕЙСОВ
Общие сведения. Задача оптимального использования энерге-
тических установок и судов в силу сложности взаимосвязей тех-
нических и экономических показателей не имеет точного реше-
ния, да и сама целевая функция не отличается определенностью.
Моделирование путевых расходов топлива, масла, технического
ресурса позволяет выявить скорости эффективного экономичного
хода судна, когда при v < v0 работа энергетической установки по
отношению к снижению скорости характеризуется наибольшим
выигрышем в снижении расхода топлива и минимальным выраба-
тыванием технического ресурса. Однако затраты на топливо, сма-
зочное масло, техническое обслуживание составляют лишь часть
общих затрат на судно во время хода и, следовательно, не могут в
полной мере отвечать экономико-эксплуатационной задаче опти-
мизации скорости судна. Поэтому требуются более точная оценка
критериев оптимизации и включение в процесс моделирования
эксплуатационных режимов стоимостных показателей работы суд-
на: себестоимости эксплуатации и доходности. При этом скорость
как важнейший экономико-эксплуатационный показатель здесь
также выступает в качестве определяющего режимного параметра.
Эксплуатация судов на слишком высоких или слишком низких
скоростях отрицательно сказывается на доходах, Известна зависи-
мость скорости от конъюнктуры фрахтового рынка: увеличение
оптимальной скорости при росте фрахтовых ставок на перевозку
грузов и снижение скорости при низкой конъюнктуре рынка.
Развились два направления оптимизации скорости судов.
Первое нацелено на минимизацию эксплуатационных затрат на
судно (себестоимости эксплуатации судна на ходу) в процессе
выполнения рейса, когда изменения текущего режима работы
судна в основном определяются случайными факторами: появле-
нием резерва времени, изменением сопротивления движению
из-за ветро-волновых нагрузок, мелководья, узкости. Минимиза-
ция эксплуатационных затрат может потребоваться и при выборе
графика движения в условиях '’нежесткого" планирования сроков
доставки груза, при изменении характеристик винта и сопротив-
ления корпуса вследствие обрастания и кавитации. Второе на-
правление основано на получении максимального "чистого"
(нетто) дохода — разности общего дохода и себестоимости. Нет-
то-доход зависит от загрузки судна, рода перевозимого груза,
186
стоимости фрахта, соотношения стояночного и ходового време-
ни. Назначаемые скорости здесь определяются сроками достав-
ки груза, техническими и навигационными ограничениями, т. е.
учитывается вся совокупность факторов, связанных с изменени-
ем скорости.
Второе направление относится к задачам оперативно-тактиче-
ского планирования рейсов и составляет предмет изучения в
курсе "Экономика морского транспорта".
При моделировании ходовых режимов с учетом стоимостных
показателей достаточно ограничиться условиями получения ми-
нимальных эксплуатационных затрат на судно во время хода.
Очевидно, режимы работы с минимальной себестоимостью будут
при прочих равных условиях соответствовать получению макси-
мального "чистого" дохода.
Путевые эксплуатационные затраты. Эксплуатационные затра-
ты на судно во время хода представляют собой составляющие:
переменные, зависящие от скорости, включающие затраты на
топливо главных дизелей, вспомогательных дизелей и вспомога-
тельных котлов затраты на смазочное масло главных и вспо-
могательных дизелей £м, затраты на техническое обслуживание и
текущий ремонт £то;
постоянные, не зависящие от режима работы, включающие
заработную плату и содержание экипажа — ЗП, амортизацион-
ные отчисления — АО, административные расходы и страховые
отчисления — АД.
Общая часовая стоимость содержания судна на базовом режи-
ме полного хода определяется суммой затрат
Ео - (Ег + Ем + Е^) + (ЗП + АО + АД)
или в долевом выражении
1 = Aq + Bq + Со + Dq,
где Aq = Et/Eq, Bq = Ем/Eq, Co = E^/Eq — долевые затраты соответст-
венно на топливо, смазочное масло, на ТО и ремонт.
Тогда составляющая постоянных затрат
Dq=\-(Aq + Bq + Cq).
Для выявления связей со скоростью у введем выражения об-
щей путевой стоимости и ее составляющих, руб./миля,
Ev = E/v = EJv + £M/v + Его/v + DqEq/v
187
или в безразмерных величинах по отношению к путевой стоимо-
сти на базовом режиме
^Vq ~ Eq/Vq, ~~ Еу/ Ev^ ~ + ^ГОУ + ZA)/V>
Здесь топливная составляющая T^v = EJ/(vEVo) = ETV/E с
учетом долевого потребления топлива на главные дизели Xq,
вспомогательные дизели }q, котел Zq и изменения стоимости то-
плива Цу = АоДгд + )о#вд + ^о^вк ПРИ v = var преобразуется к
виду
т вУЦ-V° Gy^ V° Gy^T
Ъч- v Eo- v GyoIITO Eo
Относительный путевой расход топлива на установку gv =
=Zv/gVQ = GyVO/(vGyo).
По аналогии с 7^ относительные путевые затраты на сма-
зочное масло TMV = gMV2?0.
Относительные путевые затраты на ТО и ремонт обобщенно
выразим через характеристический параметр вырабатывания ре-
-г 1 Q
сурса главных дизелей EyQV = =—.
Тогда расчетная зависимость ~Ev(v) будет иметь вид
В современных ДЭУ долевые затраты на топливо, смазочное
масло и ТО составляют: Aq = 0,5 -г 0,65; Bq = 0,01 -г 0,02;
Со = 0,03 -г- 0,06. Вследствие этого определяющее влияние на ха-
рактер зависимости оказывают два фактора: режимные затраты
на топливо и составляющие постоянных затрат Dq. С включени-
ем затрат на масло и ТО в постоянные составляющие расчетная
формула для 7?v(v) примет вид 7?v = g^^Ao + (1 — Aq)/v.
Величина Aq = GyL^/EQ зависит от стоимости потребляемо-
го топлива Цт и его расхода Gv на базовом нормируемом ре-
188
жиме полного хода. При изменении условий базового режима и
стоимости топлива новое базовое значение
, SS ЗА^а ад,
° £0 °у0Цт0 ЕоЕо Ео 0
где Ео = Е'о/Ео = СУоЦ'Т(А0 + (1 - 4>).
Следовательно, А'о =
6у0
^УоЦу()^О + (1 - Л))
’ I
Изменение расхода топлива на установку Gy
зави-
сит от способа утилизации, использования валогенератора и рас-
хода топлива 6ГД = &>Гд^?гд на главные дизели
^гдо^о/(Х) 6гд0) ^егд^егд^о7^) •
Тогда с учетом нового долевого расхода топлива на главные
дизели долевые затраты на топливо в условиях нового базового
режима
, ^егд
&егд^егд^О^Тд^о^^Ч) + “ А))
При изменении только цены топлива ДТо = IJ^ /Ц^и посто-
янном его расходе на установку GyQ = 1, %0 = Хо
<_______Ат0А)
°" д;ол0+(1-я0)-
С использованием этой формулы, в качестве примера на рис.
4.9 рассматривается влияние цены топлива на относительную пу-
тевую себестоимость 7?/у). В условиях резкого колебания цены
топлива существенно меняется оптимальная скорость, при кото-
рой достигается минимум путевых эксплуатационных затрат.
Так, с увеличением стоимости топлива в 2—4 раза = 0,87 -г
0,74 и оптимальная скорость смещается в область пониженных
значений (vopt = 0,72 0,6). Из рис. 4.9 также следует, что при
189
уменьшении Aq до 0,333 (Z(To = 0,5) значению = 1 соответ-
ствует vopt = 1, т. е. минимальная себестоимость достигается при
скорости полного хода и в области v < 1 режимы экономичного
хода не просматриваются. Это обстоятельство, в частности, объ-
ясняет тот факт, что в 70-х годах при низкой цене топлива режи-
мы экономичного хода пароходствами практически не использо-
вались.
В действительности за рубежом скачки стоимости топлива (в
5—10 раз) наблюдались в период 1973—1979 гг., что сопровожда-
лось снижением скорости на 30%, повышением стоимости фрах-
та и других составляющих эксплуатационных затрат.
Повышение стоимости эксплуатации сдерживается введени-
ем в строй судов с пониженными проектными скоростями, вы-
сокоэкономичными главными дизелями и улучшенными про-
пульсивными характеристиками. Для судов, находящихся в экс-
плуатации, переход на экономичные скорости, особенно когда
это диктуется рейсовыми ситуациями и не отражается на прово-
зоспособности, является эффективным и легко выполнимым ме-
роприятием снижения расходов топлива, масла, ресурса и себе-
стоимости перевозок. Для этих целей можно воспользоваться
формулами прямого вычисления значений vopt по критерию
—> min. После подстановки выражений путевого расхода топ-
лива gv(v) непосредственно в соотношение для ~Ev(v) и решении
задачи на отыскание экстремума функции Tv(v) значения vopt
190
при Цт — 1 находим по формулам для установок с ВФШ и ВРШ
(путем последовательных приближений) соответственно:
^opt^
К 1 “ XqAq + ge^X^AQPi 1 + V )\
2
Таким образом, использование зависимости себестоимости экс-
плуатации судна на ходу от скорости является естественным про-
должением моделирования эксплуатационных режимов. Однако
следует иметь в виду, что скорость, соответствующая условию
-> min, имеет информативное, рекомендательное значение. При
выборе действительной скорости учитывают многие другие при-
оритетные факторы. Но значение области работы энергоустано-
вок и судов с минимальными эксплуатационными затратами по-
могут ориентироваться в решении задач оптимизации эксплуата-
ционных режимов при планировании и реализации рейсов.
Здесь имеется в виду распространение моделирования на режи-
мы движения судна. Оперативное получение предсказуемых или
действительных результатов экономии топлива, масла, техниче-
ского ресурса и снижение себестоимости эксплуатации судна
представляют определенный интерес для работников диспетчер-
ских служб, служб технической эксплуатации, судовой админист-
рации и также входит в число задач оптимизации режимов.
Предварительное планирование рейса состоит в разделении
трассы перехода на отдельные участки, где режимы задаются с
учетом района плавания, времени года, географических, ме-
теорологических, навигационных условий, сроков доставки
груза. Для каждого участка обосновываются скорости хода и
характеристики сопротивления движению судна (постоянные
например, из условия поддержания путевого расхода
топлива на уровне среднего значения для трассы или мини-
мальной себестоимости эксплуатации. При соответствующих
ограничениях во времени отправления и прихода в порт на-
значения вариантные расчеты позволяют выбрать оптималь-
ные графики движения, обеспечивающие доставку груза по
расписанию с минимальными эксплуатационными затратами.
В судовых условиях прогнозирование и задание режимов
осуществляются с большой точностью на основании измере-
ния скорости судна, частоты вращения винта, а следователь-
191
но, определения текущих характеристик сопротивления (Tv,
Тл). Итоговые результаты энергоресурсоиспользования на ре-
жимах представляются в виде снижения расходов топлива,
масла, вырабатывания технического ресурса и себестоимости
эксплуатации на отдельных участках трассы по сравнению с
их значениями при прохождении этих участков на базовом ре-
жиме полного хода (нормированном или при текущих услови-
ях плавания).
Прежде всего оцениваются снижение путевого расхода топ-
лива (% и кг/милю) при движении с пониженной скоростью
экономичного хода v < v0, а также его перерасход в случае
v > v0. Скорость v на дистанции экономичного хода 5ЭХ на-
значается из условия гарантированного времени прихода в
расчетную точку. При этом следует принимать во внимание
ограничения, накладываемые на скорость vmin, и оптималь-
ную скорость vonT, при которой для конкретных условий рейса
достигаются минимальные эксплуатационные затраты в целом
по судну. Иначе говоря, назначае.мая скорость v = v/v0 увязы-
вается с расчетными графиками Tv(v) и gv(v).
При выбранном значении у эффективность топливоисполь-
зования на дистанции 5ЭХ определяют по формулам табл. 4.3.
Аналогично с учетом способа регулирования подачи масла
оценивают изменение расхода масла на установку, главные и
вспомогательные дизели.
Уменьшение вырабатывания ресурса главных дизелей (до пе-
реборки) за время экономичного хода Атрес = (у — 1/7?)тэх.
Таблица 4.3
Эффектив-
ность топ-
ливоис-
пользова-
ния
Установки
ГД
Единица измерения
кг/милю
кг
5т =(1- jv)100
§гд -
ge гд^ гд
)100
ДВТ
'-тд
ge гд Ne гд
ДВГд бГд5’эх
$т 5v0(l “ Sv)
v
v
Вспомога-
тельных ме-
ханизмов
5всп=^0(1-^0)(1-1Л)
А^ВСП ^всп^эх
бвсп “
= (1-Ло)(1- i/v)ioo
192
Снижение себестоимости эксплуатации судна в процентах,
рублях на милю, рублях соответственно: ^£=(1 — £v)100;
S£= £Vo(1-£v);A£v=8£53X.
Итоговая характеристика выполнения рейса получается
суммированием результатов по всем участкам трассы и явля-
ется своего рода карточкой согласованных рейсовых условий
с режимными возможностями экономии топлива, снижения
себестоимости эксплуатации.
4.5. СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ И ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ
Режимная экономия энергоресурсов является наиболее
простым и эффективным способом снижения потребления то-
плива. Она реализуется непосредственно в эксплуатации без
подготовительного периода и с малыми материальными затра-
тами на установку аппаратурных средств. Поэтому, начиная с
середины 70-х годов, в связи с обострением энергетических
проблем на судах для оперативного использования режимных
факторов в целях экономии топлива вводятся в действие сис-
темы контроля и оптимизации режимов работы. По целевым
задачам и объемам представляемой информации системы от-
личаются большим разнообразием: от простых систем контро-
ля и учета расходования топлива до более сложных компьюте-
ризированных бортовых систем регулирования и мониторин-
га, обеспечивающих задание и поддержание скоростного ре-
жима путем автоматического воздействия на частоту враще-
ния и шаг винта в условиях минимизации расхода топлива.
Здесь остановимся на некоторых из систем оптимизации.
Так, в системе спутниковой навигации FURANO, кроме ре-
шения навигационных задач, предусматриваются автоматиче-
ский контроль текущего путевого расхода топлива за интерва-
лы времени 1 ч, I ч, а также подведение итогов топливоис-
пользования на отдельных участках трассы и в целом за рейс.
Микропроцессор программируется на обработку сигналов
спутников, вычисление координат судна и скорости, а также
сигналов от счетчиков — расходомеров, устанавливаемых на
топливопроводах подвода и отвода топлива к главным дизе-
лям.
На основании замеров расхода топлива, скорости и прой-
денного расстояния рассчитывают путевой расход топлива.
Однако из-за повышенных затрат на установку расходомеров
и прокладку кабельных трасс из машинного отделения на хо-
довой мостик на судах в основном используют упрощенный
вариант системы в виде приемоиндикатора.
7 Зак. 1596
193
На отечественных судах также испытывалась компьютери-
зированная система экономии топлива в рейсе SAL-FE швед-
ской фирмы Consilium Marine. В составе системы (рис. 4.10)
используется стандартный компьютер с периферийными уст-
ройствами и внешней сетью с интерфейсами для передачи
данных от измерителей: крутящего момента на гребном валу,
расходомеров топлива на входе и выходе главных дизелей, дина-
мического ди
ерента судна, а также данных от судовых прием-
ников лага и частоты вращения винта.
Операционной системой и программным обеспечением пре-
дусматриваются опрос, прием, обработка и представление ин-
формации в виде, пригодном для оценки эффективности топли-
воиспользования по удельному эффективному расходу топлива
на главные дизели, часовому, суточному и путевому расходам то-
плива, оптимизации расхода топлива в текущих условиях рейса,
планирования оптимального графика движения с экономичной
скоростью в различных условиях (рис. 4.11, а), долгосрочной ре-
гистрации изменения характеристик судна.
Данные внешних измерительных устройств регистрируют каж-
дые 10 с, осредняют за 5 мин или 1 ч, накапливают и с такими ин-
тервалами представляют на дисплее, в виде мощности (кВт), ско-
рости (уз), удельного расхода топлива (г/кВт *ч), путевого расхода
топлива (т/милю), дифферента (см) для часового или суточного
отрезка времени. Осредненные данные являются исходной инфор-
мацией для оптимизации расхода топлива в различных условиях
плавания путем воздействия на дифферент, изменения частоты
вращения и шага ВРШ, настройки авторулевого. Задача автомати-
зированного поиска условий минимизации потребления топлива
и управления режимом не предусматривается.
Для судов, работающих по расписанию, с частыми измене-
ниями режимов, ручное задание режимов и обеспечение усло-
вие. 4.10. Структурная схема системы SAL-FE:
7 — дисплей; 2 — клавиатура; 3 • — принтер; 4 — компьютер; 5 — дискета; 6 — лаг-спидометр
и индикатор дифферента; 7 — расходомеры топлива; 8 — тахометр и торсиометр; 9 — интер-
фейс и приемоиндикатор; 10 — трансформатор
194
Расстояние, м
Рис. 4.11. Зависимость расхода топлива от мелководья
25 20 15 10
Глубина боды, м
вий минимизации потребления топлива становятся затруднительны-
ми из-за влияния большого числа факторов (дифферента, погод-
ных условий, обрастания корпуса, глубины воды и т. п.). Сложности
выбора оптимальных режимов возникают и на судах, работающих
при переменных сопротивлениях движению (траулерах, буксирах).
Современные компьютерные технологии позволяют автомати-
зировать процессы управления судном и оптимизировать расхо-
ды топлива. Возможности получения экономии топлива особен-
но значительны на судах с ВРШ. Неоптимальное сочетание час-
тоты вращения и шага винта при сохранении скорости может
увеличить потребление топлива более чем на 10 %. Работа на
мелководье сопровождается еще большим увеличением расхода
топлива. Например, для судна с размерениями 130 х 20 х 5 м и
скоростью 15 уз это иллюстрируется рис. 4.11, б.
В качестве примера рассмотрим компьютеризированную сис-
тему ЕТА-ПИЛОТ, где функции автоматизированного управле-
ния работой энергоустановки и судна при минимальном потреб-
лении топлива представлены наиболее полно (рис. 4.12).
В системе предусмотрены три функциональных блока. Пер-
вый обеспечивает ввод в систему сигналов от лага-спидометра,
расходомеров и датчиков частоты вращения гребного винта. На-
копленная таким образом информация поступает во второй
блок и обрабатывается в компьютере в соответствии с програм-
мой оптимизации параметров. Полученные выходные данные
поступают на третий блок управления шагом винта и частотой
вращения, обеспечивающий постоянное их регулирование в со-
ответствии с заданной скоростью и условием получения мини-
мального путевого расхода топлива.
195
7*
3
Рис. 4.12. Структурная схема системы ЕТА-ПИЛОТ:
7 — рукоятка управления; 2 — лаг-спидометр; 3 — принтер; 4 — пульт управления; 5 — цен-
тральный процессор и блок распределения сигнала, встроенный персональный компьютер; 6 —
распределительная коробка; 7— датчик частоты вращения; 8~ топливомер
Программным обеспечением реализуется гибкая функция
управления, учитывающая характеристики экономичности глав-
ных дизелей, гребного винта, расстояние и время отправления и
прихода судна. Это позволяет реализовать и вторую главную за-
дачу системы ЕТА-ПИЛОТ — предварительное планирование
маршрута. Расписание рейса можно запрограммировать путем
разделения маршрута на отдельные участки, проходимые с раз-
личными скоростями при минимальном потреблении топлива с
учетом характеристик экономичности и внешних факторов: тече-
ний, приливов и отливов, географических и метеорологических
условий. Программа маршрута вводится в память компьютера и
может быть задействована при выполнении рейса.
Предусмотрена также автоматизация получения и составления
отчетных данных о результатах энергоиспользования. Информа-
ция о выполнении рейса распечатывается на принтере в виде
аналитических отчетов и графиков с указанием скорости судна,
потребления топлива, расстояния и времени. Для анализа со-
стояния главных дизелей, гребного винта и корпуса судна стати-
196
стические данные о режимах хранятся в памяти компьютера в
течение двух лет и принимаются во внимание при назначении
сроков докования и моточисток главных дизелей.
4.6. СИСТЕМА ЭЛЕКТРОННОГО УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМ ПРОЦЕССОМ ДИЗЕЛЯ
КАТЕРПИЛЛАР
При автоматизированном управлении пропульсивным ком-
плексом экономичность работы энергетической установки зави-
сит от ее настройки и учета потребления топлива главными дизе-
лями. Возможности оптимизации параметров на эксплуатацион-
ных режимах рассмотрим на примере применения электронных
систем управления рабочим процессом дизеля Катерпиллар.
Фирма "Катерпиллар” является мировым лидером в производ-
стве быстроходных форсированных 4-тактных дизелей для на-
земного транспорта, горно-добывающих машин, тракторов, мор-
ских и речных судов. Типоразмерный ряд судовых дизелей охва-
тывает диапазон мощностей 64—5420 кВт и частот вращения
750—2400 об/мин. Дизели характеризуются малыми размерами и
имеют удельную массу 5,5—12 кг/кВт. В своем классе дизели Ка-
терпиллар имеют рекордно низкий удельный расход топлива (на
5—15 % меньше расходов дизелей известных марок). Если
учесть, что до 80 % затрат на эксплуатацию дизелей составляют
расходы на приобретение топлив и масел, то столь значительная
разница является весьма существенным фактором. Если обра-
титься к цифрам, то расходы топлива у дизелей Катерпиллар ле-
жат в пределах 190—216 г/(кВт-ч), а расход масла составляет
всего 0,365—0,55 г/(кВт • ч).
Важным фактором является уровень форсировки рабочего процес-
са, характеризуемый средним эффективным давлением. У судовых
двигателей благодаря турбонаддуву среднее эффективное давление
достигает 2 МПа при сохранении на достаточно низком уровне теп-
ловых и механических напряжений, что, в свою очередь, обусловли-
вает высокую надежность и большой моторесурс. Так, двигатели мо-
дели САТ36ОО имеют следующие межремонтные периоды, тыс. ч: при
работе на топливе MDO — 40; при работе на тяжелом топливе — 20.
Интересно отметить, что при переоборудовании двигателей
для работы на тяжелом топливе фирма увеличивает подачу воз-
духа в цилиндры на 30 %, что, безусловно, создает условия для
более полного сгорания топлива, сохранения высокой эконо-
мичности и надежности. Значительное внимание уделено сниже-
нию вредных выбросов с выпускными газами.
Исследования фирмы показали, что содержание в газах час-
тиц сажи можно существенно уменьшить улучшением смесеоб-
разования путем увеличения давления впрыскивания. В послед-
197
них моделях двигателей максимальное давление впрыскивания
составляет 140—200 МПа. При этом благодаря электронному
управлению впрыском обеспечивается поддержание одинаково-
го максимального давления впрыска во всем рабочем диапазоне
частоты вращения (рис. 4.13, а). Установлено также, что выброс
окислов азота NOX снижается почти вдвое при уменьшении тем-
пературы наддувочного воздуха с 80 до 40 °C. Для поддержания
температуры воздуха за турбокомпрессорами на отмеченном
уровне на дизелях устанавливают высокопроизводительные воз-
духоохладители. Это одновременно способствует росту ресурса и
экономичности дизелей, особенно в условиях высоких темпера-
тур атмосферного воздуха.
Отмеченные высокие показатели дизелей Катерпиллар в
значительной мере достигнуты благодаря внедрению системы
электронного управления режимами, в функции которой входят:
прецизионное управление частотой вращения в соответствии
с заданным режимом (берет на себя функцию электронного ре-
гулятора частоты вращения;
подбор и задание оптимальных для каждого режима фаз нача-
ла и конца подачи топлива (рис. 4.13, б, в);
согласование соотношения топливо — воздух, при котором
коэффициент избытка воздуха при сгорании поддерживается в
пределах, обеспечивающих высокую экономичность и мини-
мальную эмиссию вредных компонентов в продуктах сгорания;
управление режимом холодного пуска дизеля и его после-
дующего прогревания;
сброс частоты вращения вала или остановка дизеля при его
перегреве, падении давления масла и др.;
Рис. 4.13. Влияние скоростного режима и нагрузки при электронном и обычном
(механическом) управлении на максимальное давление впрыска топлива (а), угол
опережения впрыска (б), продолжительность впрыска (в):
1 — холостой ход; II — максимальный момент; 111 — нагрузка 100 %; 1 — традиционная топ-
ливная система
198
Рис. 4.14. Насос-форсунка с электрон-
ным управлением
выдача информации по ряду диагностических параметров с
фиксацией в памяти имевших место неисправностей в работе
дизеля.
На корпусе насоса-форсунки (слева) установлен соленоид,
управляющий движением перепускного (впускного) клапана золот-
никового типа (рис. 4.14). При возвратном движении плунжера на-
соса (ход вверх) электронный блок управления подает питание на
соленоид и он, перемещая клапан, открывает доступ топливу в под-
плунжерное пространство — происходит наполнение насоса. В ка-
меру сгорания топливо поступить не может, так как путь в распы-
литель перекрыт нагруженной пружиной иглой, давление ее откры-
тия составляет 18 МПа. При последующем поступательном движе-
нии плунжера вниз и открытом соленоидном клапане происходит
перепуск топлива обратно в расходную цистерну. Сжатие топлива
начинается лишь после того, как электронный блок обесточит соле-
ноид и перепускной клапан под действием пружины перекроет об-
ратный путь топливу из подплунжерного пространства.
Давление топлива растет и по достижении давления откры-
тия иглы начинается впрыск топлива в камеру сгорания.
Впрыск продолжается до момента сброса давления в нагнета-
тельной полости, которое происходит после поступления из
электронного блока управляющего сигнала на.открытие перепу-
скного клапана. Таким образом, заложенная в электронный мо-
дуль программа осуществляет управление как началом подачи,
так и количеством подаваемого топлива путем изменения про-
должительности подачи — ее конца.
199
2
О1 >(ОН А Л-ЧО
Рис. 4.15. Система электронного управления:
7 — насос-форсунка (12—16 шт.); 2 — блок электронного управления дизелем; 3 — датчик
частоты вращения (синхронизации) дизеля; 4 — датчик температуры охлаждающей жидко-
сти; 5 — датчик давления масла в дизеле; 6, 7, 8 — датчики давления воздуха на левом и правом
входах турбонагнетателя и на выходе из турбонагнетателя; 9, 10 — переключатели задействования
диагностирования и принудительной коррекции частоты вращения; 11 — ЭКАП с сопрягающим
адаптером-переходником; 12— датчик давления атмосферного воздуха; 13, 15, 16— системы
сигнализации проверки диагностирования дизеля, перегрева охлаждающей жидкости, паде-
ния давления масла; 14— приборная доска; 17 — электронная контрольная система
Наличие перепуска в начале и конце подачи обеспечивает ох-
лаждение форсунки.
Основным элементом системы электронного управления дви-
гателем (рис. 4.15) является блок электронного управления, в ко-
тором происходят сбор и обработка информации по введенным в
него алгоритмам.
200
Данные измерений поступают от следующих датчиков: часто-
ты вращения и положения поршней в цилиндрах; температуры
охлаждающей жидкости; давления масла; температуры атмосфер-
ного воздуха; давления воздуха за фильтрами турбонагнетателей
и за нагнетателями; положения органа управления подачей топ-
лива и др.
В систему управления входит также электронный контрольный
анализатор-программатор, позволяющий осуществлять перепро-
граммирование блока управления применительно к условиям экс-
плуатации двигателя и его фактического состояния. В частности,
имеется возможность вводить уставку на максимальную мощность,
на время вывода на режим полной мощности, корректировать со-
гласование соотношения в подачах топлива и воздуха и пр. ЭКАП
может также служить для просмотра в реальном времени значений
всех диагностических параметров: перепада давления воздуха на
фильтрах турбонагнетателей, свидетельствующего о их загрязнении
(допускается не более 6,25 кПа); падения давления масла; перегре-
ва двигателя и др.
Глава 5
ЭКСПЛУАТАЦИЯ СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
И ОБСЛУЖИВАЮЩИХ СИСТЕМ
5.1. АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ, АВАРИЙНО-ПРЕДУПРЕДИТЕЛЬНАЯ
СИГНАЛИЗАЦИЯ И АВАРИЙНАЯ ЗАЩИТА СЭУ
Автоматизация СЭУ позволяет значительно повысить надежность
и безопасность работы механизмов, сократив при этом трудозатраты
машинной команды на управление и контроль. Кроме того, примене-
ние систем ДАУ главным дизелем улучшает маневренные качества
судна в связи с отсутствием дублирования команд с мостика вахтен-
ным механиком в машинном отделении.
Объем средств автоматизации СЭУ определяется исходя из необ-
ходимости и экономической целесообразности. Средства необходимой
автоматизации не учитываются при оценке экономической эффек-
тивности и определении рационального объема автоматизации. На-
пример, необходимой является автоматизация процессов, которыми
человек не в состоянии управлять: поддержание заданной частоты
вращения ДГ, ВГ и др.
В соответствии с Правилами Регистра судам, объем автоматизации
энергетической установки которых допускает безвахтенное обслужи-
вание на ходу и стоянке, присваивается знак А-1. Судам, энергетиче-
ские установки которых обслуживаются одним вахтенным механиком
на ходу и безвахтенно — на стоянке, присваивается знак А-2 в симво-
ле класса Регистра.
В состав средств автоматики энергетических установок судов,
удовлетворяющих знаку А-2, входят: система ДАУ главным дизелем с
мостика; реверсограф для автоматической регистрации маневров; сис-
темы централизованного контроля и АПС с регистрацией отклонений
параметров и подачей обобщенных сигналов в каюты механиков, ру-
левую рубку, кают-компанию и столовую; системы автоматического
управления СЭС, воздушными компрессорами, подготовленными к
действию вспомогательными и утилизационными котлами, насосами,
обслуживающими главный дизель и дизель-генераторы; системы ав-
томатического регулирования температур охлаждающих жидкостей,
масла, топлива в расходных цистернах и перед сепараторами, вязко-
сти тяжелого топлива; автоматизированные системы сепарирования
тяжелого топлива, подачи масла в цилиндры дизелей и наполнения
смазочных насосов; системы автоматического (или дистанционного)
осушения колодцев рецесса коридора гребного вала и кормовых ко-
202
лодцев машинного отделения; автоматическая пожарная сигнализа-
ция; автоматический детектор масляного тумана в картере главного
дизеля; система дистанционного пуска и остановки пожарных насо-
сов из ЦПУ в машинном отделении и из помещения палубной кан-
целярии; система сигнализации о нахождении вахтенного в машин-
ном отделении.
Для энергетических установок судов, соответствующих знаку А-1
Регистра, объем средств автоматики отличается качественным углуб-
лением функций контроля и управления перечисленных систем и на-
личием дополнительных систем: автоматизированного или дистанци-
онного управления СЭУ из ЦПУ; дистанционной экстренной оста-
новки главного дизеля; воздухоподготовки для пневмоавтоматики;
сигнализации о потере питания и контроле готовности и исправно-
сти цепей АЗ и систем ДАУ главными механизмами; автоматическо-
го обнаружения неисправностей в устройствах управления СЦК,
АПС, АЗ главных механизмов и системах сигнализации осушения ма-
шинного отделения.
Аварийно-предупредительная сигнализация должна контролиро-
вать уровни в расходных и отстойных топливных танках, сигнализи-
ровать о критических значениях уровней, выводить в машинное отде-
ление обобщенные сигналы от АПС, разделять обобщенные сигналы
на аварийные и предупредительные.
Система централизованного контроля обязана контролировать па-
раметры работы: главного дизеля (температуру газов по цилиндрам,
температуру топлива и масла на входе в дизель и масла на выходе из
него, топлива перед сепаратором тяжелого топлива, масла в системе
смазывания турбокомпрессора, температуру продувочного воздуха в
воздушном ресивере), валопровода (температуру масла упорного,
опорных и дейдвудных подшипников), дизель-генераторов (давление
масла на входе, забортной воды в системе охлаждения, температуру
выпускных газов в коллекторе, воды на выходе из дизеля, масла на
входе в дизель, уровни масла в сточном и циркуляционном танках,
уровень топлива в расходном танке).
В системе АЗ должна быть предусмотрена защита от падения дав-
ления пресной воды (либо охлаждающего масла) в системе охлажде-
ния цилиндровых втулок и поршней.
Международные классификационные общества в основном при-
держиваются единых требований к перечню параметров, контроли-
руемых системами СЦК, АПС и АЗ автоматизированных СЭУ. Реги-
страция изменения параметров, подача аварийно-предупредительного
сигнала в случае выхода значения параметра за уставку, а также сни-
жение нагрузки либо остановка ГД согласуются классификацион-
ными обществами с рекомендациями заводов-изготовителей
(табл. 5.1—-5.3; в табл. 5.2 и 5.3 обозначения систем и параметров
те же, что и в табл. 5.1).
203
Таблица 5.1
Номер пара- метра Системы СДУ и регистрируемые параметры Зульцер, 1981 г.
Инди- кация Сигна- лиза- ция Сниже- ние нагруз- ки Стоп
1 Циркуляционная смазочная 10
система
Давление на входе:
1 в двигатель Пост. 2
2 в головные подшипники Л, 13
3 в рамовые подшипники L LL, а
4 Перепад давления на фильтре Температура: Н
5 на входе в двигатель н Я, 3
6 подушек упорного подшип- ника Н Н, с
7 на выходе головных, рамо- вых, мотылевых подшипни- ков Я, 4 Н, с, 4
8 Масляный туман в картере Я, 4 Я, с, 4
9 Поток масла через смазочные L L, с
насосы
10 Уровень масла в сточном танке L
II Система охлаждения цилин- дров и турбокомпрессоров
И Давление на входе в цилиндры Температура: т* Ц 2 LL, d
12 на входе в цилиндры L
13 на выходе из каждого ци- линдра Я, с
14 на выходе из терморегулятора 11 3
15 на выходе из каждой турбины И Я, с
16 Уровень воды в расширитель- ной цистерне L
III Система охлаждения поршней
17 Давление на входе в поршни Температура: п Ц 2 LL, d
18 на входе в поршни и £, 3
19 на выходе из каждого поршня Н
20 Поток охлаждающей среды через поршни L £, с
21 Уровень в сточном танке L
204
Продолжение табл. 5.1
Номер
пара-
метра
IV
22
23
24
25
V
26
27
28
29
VI
30
31
32
33
34
35
VII
36
37
38
VIII
39
Системы СДУ и регистрируемые параметры Зульцер, 1981 г.
Инди- кация Сигна- лиза- ция Сниже- ние нагруз- ки Стоп
Система заборной охлаж- дающей воды Давление у насосов Температура: у насосов на входе в холодильник на выходе из холодильника Система охлаждения форсунок Давление на входе в форсунки Температура: на входе в форсунки на выходе из форсунок Уровень в расширительном бачке Топливная система Давление перед ТНВД Вязкость перед ТНВД Температура перед ТНВД Уровень в расходном танке топлива: тяжелого дизельного Уровень в топливном танке протечек Система газовыпуска Температура газа за каждым цилиндром Отклонение температуры от среднего значения Температура газа перед каждой турбиной Система воздухоснабжения Давление воздуха после каждо- го холодильника Пост. IV п IV II If VI II 11 £, 2 3 L Н £, 2 L Я, 7 L L, 2 Я, 5 Я, £, 5 L L Н Н И Н
205
Окончание табл. 5.1
Номер пара- метра Системы СДУ и регистрируемые параметры Зульцер, 1981 г.
Инди- кация Сигна- лиза- ция Сниже- ние нагруз- ки Стоп
Температура:
40 воздуха после каждого холо- дильника
41 в под порш невых полостях Н НН, с
42 Частота вращения ротора турбокомпрессора Пост.
43 Вибрация турбокомпрессора
44 Отклонение частоты враще- ния относительно среднего значения
45 Детектор влагосодержания в ресивере
IX Система пуска и автоматики
Давление:
46 пускового воздуха до главно- го пускового клапана L
47 управляющего воздуха tt L
48 Падение давления пускового воздуха
49 Частота вращения вала двига- теля и
50 Превышение частоты враще- ния НН НН, а
51 Индекс топливной рейки 11
52 Питание СЦК II Неиспр.
Таблица 5.2
Номер пара- метра Английский Ллойд, 1980 г. Германский Ллойд, 1980 г. Дет Норвежский Веригас, 1980 г.
Инди- кация Сиг- нали- зация Сниже- ние нагруз- ки Стоп Ин- ди- ка - ЦИЯ Сиг- нали- зация Сни- жение нагруз- ки Стоп Инди- кация Сиг- нали- зация Сни- жение нагруз- ки Стоп
I 1 2 3 2 £ £ LL, а 2 £ £ ££, а 2 £ £ ,LL, b
206
Продолжение табл, 5.2
Номер пара- метра Английский Ллойд, 1980 г. Германский Ллойд, 1980 г. Дет Норвежский Веритас, 1980 г.
Инди- кация Сиг- нали- зация Сниже- ние нагруз- ки Стоп Ин- ди- ка- ция Сиг- нали- зация Сни- жение нагруз- ки Стоп Инди- кация Сиг- нали- зация Сни- жение нагруз- ки Стоп
4 Н Я
5 н я Я, с Я
6 н я Я, с Я Я, с
7 Я, 4 Н,с, 4 я, 4 Я, с, 4
8 Я, 9 Я, с, 9 Н,4< Н,с, 4 Я, 4 я. с, 4
9 L L £, с L
10 L L L
II
И L, 2 £, с £,2 £, с £, 2 £, с
12
13 Н Я Я, с Я
14
15
16 L L L
III
17 L, 2 £, с L, 2 £, с £, 2 £, с
18
19 Н Я, 8 Я, с, 8 Я
20 £, с L, 8 £, с, 8 £ £, с
21 L £
IV
22 L.2 L,2 £, 2
23
24
25
26 L.2 £, 2 Д 2
27 L L £
28 Я Я
29
VI
30 L, 2 £, 2 Д 2
31 H,L, 5 д я, 5 Я, Д 5
32 H.L, 5 L.H, 5 я.д 5
33 Я, L L £
34 Я, L L £
35 H 1 Н Н
207
Окончание табл. 5.2
Номер Английский Ллойд, 1980 г. Германский Ллойд, 1980 г. Дет Норвежский Веритас, 1980 г.
пара- Инд и- Сиг- Сниже- Стоп Ин- Сиг- Сни- Стоп Инди- Сиг- Сни- Стоп
метра кация нал и- ние ди- нал и- жение кация нали- жение
зация нагруз- ка- зация нагруз- зация нагруз-
ки ция ки ки
VII
36 Н Я, с Н Н, с Н
37 L, Н Н, с н
38
VIII
39
40 L, Н,
14
41 н Н, с Н Н, с н Н, с
42
43
44
45 14
IX
46 Пост. L L L,2
47 L L L
48
49 » Пост. Пост.
50 НН, НН, НН, НН, НН, НН,
11 11 11 11 11 и
51 >) »
52 Не- Не-
испр. испр.
Таблица 5.3
Номер пара- метра Бюро Веритас, 1980 г. Американское Бюро, 1981 г. Регистр, 1976 г.
Инди- кация Сиг- нали- зация Сни- жение нагруз- ки Стоп Инди- кация Сиг- нали- зация Сни- жение нагруз- ки Стоп Инди- кация Сиг- нали- зация Сни- жение нагруз- ки Стоп
1 6 6 6
1 2 Пост. 2 Пост. 2
2 L п L L
3 L LL, а 1 L L, с LL, а » L LL
4 н Н
5 L IV Н L, с н, L, 12
6 Н Н н
7 Н, 4 н, 4, 12 Н,4
208
Продолжение табл. 5.3
Номер пара- метра Бюро Веритас, 1980 г. Американское Бюро, 1981 г. Регистр, 1976 г.
Инди- кация Сиг- нали- зация Сни- жение нагруз- ки Стоп Инди- кация Сиг- нали- зация Сни- жение нагруз- ки Стоп Инди- кация Сиг- нали- зация Сни- жение нагруз- ки Стоп
8 я, 4 я, 4, 12 я, 4 Д 'с Я Я, 12
9 10 II 11 12 13 14 15 16 III 17 18 19 20 21 IV 22 23 24 25 V 26 27 28 29 VI 30 31 32 33 34 35 VII 36 37 38 VIII 39 L LA L Н L L, 2 £ Н, 8 Д 8 L L, 2 Д 2 Н £ £, 2 Д Я, 5 L, Я 5 L, Н Д Н Н Н L, Н Пост. и II н п и и ft II и £ £ £, 2 Н Н £ Д 2 Н £ £ Д 2 Д 2 Н £ Д 2 Я, 5 Д я, 5 д я д я я я н £, с £, с £ £, с Д с £ £, с Д с Д с L, с Пост. 1 Пост. 1 Пост. If 1 1 Пост. £ £, Н £, 2 Я £ Д 2 Я Д 12 £ Д 2 Д 2 Н £ £, 2 Я, Д 5 Я, Д 5 £ £ Я Я, Д 12 Я, 12
209
Окончание табл. 5. 3
Номер пара- метра Бюро Веритас, 1980 г. Американское Бюро, 1981 г. Регистр, 1976 г.
Инди- кация Сиг- нали- зация Сни- жение нагруз- ки Стоп Инди- кация Сиг- нали- зация Сни- жение нагруз- ки Стоп Инди- кация Сиг- нали- зация Сни- жение нагруз- ки Стоп
40 Н 1 н, L, 12
41 Н Н L, с н
42
43
44
45
IX
46 L Пост. L Пост. L, 2
47 L п L L
48
49 Пост. н и
50 НН, 11 НН, 11 НН, 11 НН, 11 НН, 11 НН, 11
51 fV Н м Н, 11
52 п Не- и Не- н Не-
испр. испр. испр.
Примечания. 1. L — значение низкое; LL — предельно низкое; И — высокое;
НН ~ предельно высокое; а —автоматический стоп; b — ручной и/или автоматический стоп;
с — ручное или автоматическое снижение нагрузки (частоты вращения); d — стоп и после-
дующий анализ неисправности.
2. 7 — является предметом обсуждения; 2— автоматический пуск подготовленного насо-
са; 3 — поддержание температуры автоматическим регулировочным клапаном; 4 — контроль
температуры либо масляного тумана; 5 — регулирование температуры либо вязкости топлива
(Зульцер отдает приоритет вязкости); 6 — снижение нагрузки по согласованию завода-изгото-
вителя и классификационного общества; 7 — контроль температуры в расширительном
танке; 8 — контроль температуры либо потока; 9 — наличие датчика; 10 — индикаторы для
ЦПУ; 77 — только для установки с ВРШ; 12 — рекомендуется; 13 — главные насосы циркуля-
ционного масла и смазывания головных подшипников; 14 — наблюдение за низким уровнем
температуры либо наличие влагоотделителя; 75 — давление либо уменьшение потока.
3. Пост. — значение Постоянное; Неиспр. — состояние неисправное.
Контроль параметров СЭУ возлагается на СЦК, что обуслов-
ливает их использование на всех современных судах. В процесс
автоматического контроля входят восприятие информации о со-
стоянии объекта, обнаружение признаков отклонения от нормы
и подача предупредительного или аварийного сигнала при выхо-
де за уставку. Любое нарушение должно сопровождаться свето-
вой и звуковой сигнализацией, а иногда и регистрацией.
Возможны следующие виды автоматического контроля: еди-
ничный, вне связи с другими параметрами; многоточечный цен-
трализованный; обегающий большое число параметров при по-
210
мощи одного устройства, поочередно подключаемого к датчи-
кам каждой из контролируемых величин при скорости обегания
до 10 точек в секунду; программированный, осуществляемый по
заданной программе (например, при автоматическом пуске и
вводе в параллельную работу дизель-генераторов, подготовке ди-
зеля к пуску из холодного состояния и др.).
Для СЦК характерны последние три типа автоматического
контроля параметров, что определяет в качестве центрального
программного блока использование компьютера или специали-
зированных процессов.
Типичная СЦК норвежской фирмы "Аутроника" КМ-1 (рис.
5.1) состоит из двух панелей. Вертикальная панель является мне-
мосхемой СЭУ, на которой установлены сигнальные лампы и таб-
ло цифровой индикации. На горизонтальной панели установлены
14 модулей, содержащих сигнальные лампы, кнопки вызова пара-
метров на индикаторное табло и кнопки квитирования сигналов.
Модуль КМС-1 предназначен для измерения давления и тем-
пературы, КМС-2 — температуры выпускных газов, КМС-3 —
предельных значений давления либо уровня контактными датчи-
ками. Модуль KMR-1 служит для сигнализации отклонения тем-
пературы относительно среднего значения. Модуль КМЕ-1 кон-
тролирует состояние блока питания и отсутствие разрывов и ко-
ротких замыканий в кабелях, соединяющих датчики с измери-
тельными устройствами. Блок КМА-1 формирует сигнал тревоги
при поступлении сигналов неисправности от измерительных мо-
дулей. Все акустические и световые сигналы тревоги отключают-
ся из ЦПУ. При отключении из каюты старшего или вахтенного
механика выключаются все зуммеры, кроме сирены в машин-
ном отделении и зуммера в ЦПУ.
Система централизованного контроля охватывает 271 контроли-
руемый параметр главных и вспомогательных дизелей и судовых
систем. Акустические и световые предупредительные сигналы
подаются при возникновении следующих нарушений: недоста-
точного давления масла и охлаждающей воды на входе в дизель, за-
бортной воды, пускового или управляющего воздуха; повышенной
температуры смазочного масла и охлаждающей воды на входе в ди-
зель, охлаждающей воды после цилиндров, охлаждающей воды фор-
сунок, наддувочного воздуха, рамовых подшипников; пониженной
температуры смазочного масла перед дизелем, наддувочного возду-
ха; высокой концентрации масляного тумана в картере дизеля;
слишком высокой или низкой вязкости топлива; большого отклоне-
ния температуры выпускных газов по цилиндрам, от среднего значе-
ния; больших перепадов давления масла и топлива на фильтрах; не-
исправности собственно СЦК, датчиков температуры рамовых под-
211
Рис. 5.1. Принципиальная схема СЦК фирмы "Аутроника" типа КМ-1:
1 — входное напряжение питания; 2 — стабилизатор напряжения; J — сигналы от датчиков;
4 — модуль КМС-1 для измерения давления или температуры; 5 — модуль КМС-3 для кон-
тактных датчиков; 6, 7 — модули KMR-1 и КМС-2 для измерения температур выпускных га-
зов; 8 — модуль КМЕ-1 сигнализации помех; 9 — измерительный прибор; 10 — модуль тре-
воги КМА-1; 11 — матрица группирования сигналов; 12— групповые сигналы; 13 — сигналы
температуры или давления; 14 — цифровой измеритель; 15 — предупредительные сигналы
шипников и частоты вращения коленчатого вала, детектора масля-
ного тумана и обрыва в цепи питания СЦК.
В случае снижения температуры наддувочного воздуха и выхо-
да за установку предупредительный сигнал срабатывает с вре-
212
менной задержкой до 30 мин, а при низкой частоте вращения
коленчатого вала (при индексе топливной рейки ниже 50%) от-
ключается полностью. Также полностью отключается при темпе-
ратуре ниже 200°С сигнал отклонения от среднего значения тем-
пературы выпускных газов по цилиндрам.
На горизонтальной панели пульта СЦК КМ-1 имеются указа-
тели давления смазочного масла и охлаждающей пресной воды
на входе в дизель, масла перед турбокомпрессором, охлаж-
дающей воды форсунок, топлива перед ТНВД, забортной охлаж-
дающей воды, наддувочного воздуха, пускового и управляющего
воздуха, температуры смазочного масла на входе в дизель, охлаж-
дающей воды на выходе из дизеля и наддувочного воздуха после
воздушных холодильников.
Система КМ-1 может быть установлена в СЭУ с одним или не-
сколькими главными дизелями. В последнем случае при наличии,
например, двух среднеоборотных дизелей, работающих на один
ВРШ, в систему входят ручное аварийное выключение для каждо-
го дизеля и автоматическое выключение муфт сцепления из ЦПУ
и с мостика по четырем параметрам остановки с автоматическим
выключением муфт сцепления каждого дизеля, по двум парамет-
рам снижения нагрузки на каждый дизель и по одному параметру
остановки с автоматическим выключением муфты сцепления каж-
дого дизеля. При отключении обоих дизелей шаг ВРШ должен ав-
томатически установиться в нулевое положение, а блокировки
дистанционного пуска и сцепления каждого дизеля — включиться.
Остановка главных дизелей с выключением муфт сцепления
происходит без временной задержки из-за превышения номи-
нальной частоты вращения или допуска по температурам рамо-
вых подшипников, а с временной задержкой — из-за недоста-
точного давления смазочного масла перед дизелем, турбоком-
прессором и в редукторе.
Отключение муфт сцепления без остановки главных дизелей
осуществляется СЦК из-за неисправности системы распределе-
ния нагрузки между дизелями и повышенной концентрации мас-
ляных паров в картере.
Нагрузка главных дизелей путем автоматического снижения
шага ВРШ снижается при недостаточном давлении охлаж-
дающей воды на входе в дизели и в случае превышения темпера-
туры охлаждающей воды после цилиндров.
Перечисленные возможности системы КМ-1 полностью удов-
летворяют требованиям классификационных обществ для авто-
матизированных СЭУ при безвахтенном обслуживании (см.
табл. 5.1—5.3) и рекомендациям дизелестроительных фирм.
Система КМ-1 комплектуется датчиками температуры типов
Pt-100 (платиновые терморезисторы), Т802 (термисторные датчи-
213
ки), GA-3 (никель-нихромовые термопары совместно с усилите-
лем) и давления типов GT-1 (манометрические датчики), GT-2
(датчики разницы давлений), что позволяет измерять температуры
в диапазонах 0—100, 0—160, 0—300, 0—600°С, давления в диапазо-
нах 0-0,1; 0-0,25; 0-0,4; 0-0,6; 0-1; 0-1,6; 0-4; 0-6 МПа и
разности давлений 0—0,1; 0—0,6 МПа при различных комбина-
циях датчиков и усилителей.
Регистрируются параметры аналоговым либо цифровым маг-
нитоэлектрическим измерителем. Точность измерений в любом
случае составляет ±2% конечного значения параметра.
На судах мирового флота довольно широко распространены
СЦК типа Data chief — норвежской фирмы "Норконтрол". Базо-
вый вариант системы состоит из нескольких подсистем: Data
safe, Data power, Data trend и Auto chief, в основу которых поло-
жено электронно-пневматическое управление автоматизирован-
ной СЭУ. Между подсистемами осуществлено следующее функ-
циональное разделение.
Data safe обеспечивает контроль, автоматическое управление,
аварийно-предупредительную сигнализацию и защиту вспомога-
тельных механизмов всех систем машинного отделения. Число кон-
тролируемых параметров не ограничено, типовое значение — 600. В
случае выхода параметра за уставку производится акустическая и
световая сигнализация в машинном отделении и ЦПУ, а также вы-
вод текста на цифровой дисплей и телетайп. Сообщение аварийного
сигнала состоит из кода, текста сигнала и слова, позволяющих вах-
тенному механику определить род неисправности, принадлежность
ее судовой системе, местонахождение в системе и абсолютное
значение параметра. Менее существенная информация не вызывает
срабатывание светозвуковой сигнализации, а регистрируется только
телетайпом для сведения вахтенному механику.
Data power служит для автоматического пуска и остановки ди-
зель-генераторов, синхронизации и распределения нагрузки, от-
ключения генераторов и аварийной сигнализации по судовой
электростанции, контроля расхода и потребности в электроэнер-
гии. Потребность в электроэнергии, выявленная при контроле,
сравнивается с текущей выработкой электроэнергии. Блок Data
power в случае отклонения от заданных пределов принимает
управление и регулирует ситуацию, при избыточной выработке
электроэнергии автоматически останавливает работающий генера-
тор, а в случае недостаточного количества вырабатываемой элек-
троэнергии автоматически производит пуск, синхронизацию и
подключение к шинам общей сети дополнительного генератора.
Функция разделения нагрузки распределяет выработку элек-
троэнергии между работающими генераторами. Вынужденный ос-
танов работающего дизель-генератора будет задержан до пуска,
214
синхронизации и подключения другого вспомогательного генера-
тора, чем предотвращаются временное прекращение подачи элек-
троэнергии и вероятность возникновения ситуации "блэк-аут”.
Data trend осуществляет контроль и техническое диагностиро-
вание главного дизеля: определение состояния поршневых ко-
лец, измерение температуры металла втулок и крышек цилинд-
ров, индицирование главного дизеля. Если сигнал от какого-ли-
бо кольца слишком долго остается в статическом состоянии, ав-
томатически выдается предупреждение на дисплей или телетайп
о неисправности. Текущие значения измеряемых с помощью ни-
кель-нихромовых термопар температур втулок и крышек сравни-
ваются с уставками и отклонениями от идеальных (эталонных)
значений в зависимости от нагрузки. Отклонения истинных
значений температур от эталонных позволяют на ранней стадии
выявить такие явления, как неудовлетворительное сгорание, за-
диры поршней в широком диапазоне нагрузок двигателя.
Auto chief является автономной системой, позволяющей само-
стоятельно или в составе системы Data chief осуществлять дис-
танционное управление главным дизелем с мостика или из ЦПУ.
Система оборудована независимым телеграфом для использова-
ния в аварийном режиме, электронным датчиком частоты вра-
щения гребного винта и маховика главного дизеля, индикатором
частоты вращения и нагрузки дизеля на мостике и в ЦПУ, авто-
номной системой защиты главного дизеля.
Система защиты состоит из независимых каналов остановки
дизеля и снижения нагрузки (частоты вращения), ограничения
ускорения, автоматической программы разгона при пуске холод-
ного дизеля и малой частоте вращения. Системой защиты все
важнейшие параметры работы главного дизеля постоянно кон-
тролируются и в случае серьезного нарушения выдается сигнал
неисправности и, если необходимо, производится автоматиче-
ское снижение частоты вращения коленчатого вала либо оста-
новка дизеля. Параметры, включенные в эти операции, и их ус-
тавки определяются заводом-изготовителем вместе с соответст-
вующим классификационным обществом (см. табл. 5.1—5.3).
Уставки снижения частоты вращения, находящиеся под кон-
тролем Data safe, передаются системе Auto chief для выполнения
соответствующих команд управления ГД. Уставки остановки на-
ходятся под контролем системы Auto chief и встроенной в дизель
системы аварийной защиты.
Остановка главного дизеля осуществляется по следующим
критериям: очень низкое давление смазочного масла на входе в
главный дизель; очень низкое давление смазочного масла рас-
пределительного вала; очень высокая температура упорного под-
шипника; превышение предельной частоты вращения; неисправ-
215
ность датчика частоты вращения коленчатого вала; соединение с
валоповоротным устройством.
Снижение частоты вращения происходит вследствие: низкого
давления смазочного масла на входе в главный дизель; низкого
давления воды, охлаждающей цилиндры; низкого расхода масла
или воды, охлаждающих поршни; высокой температуры воздуха
в продувочном ресивере; высокой температуры рамовых под-
шипников; появления масляного тумана в картере.
Кроме перечисленных функций, система Auto chief контроли-
рует процесс пуска главного дизеля и состояние системы управ-
ления. Помехи пуску возникают при наличии следующих ситуа-
ций: слишком затянувшегося пуска; трех неудавшихся попыток
пуска; низкого давления пускового воздуха; предупреждающего
сигнала о существенном снижении давления пускового воздуха.
Возникновение последней ситуации не приводит к помехе пуску,
а является исключительно предупреждающей информацией.
Система управления главным дизелем считается неисправной
в случае: низкого давления воздуха в системе управления; закли-
нивания (или закрытия) маневрового (главного пускового) кла-
пана; блокирования на местном пульте управления топливной
рукоятки или ограничения топливоподачи из-за перегрузки дизе-
ля; нарушения электропитания системы ДАУ.
Перечисленные функциональные возможности комплекса
средств контроля и управления СЭУ, входящих в СЦК Data chief,
поддержаны возможностью автоматической цифровой регистра-
ции текущих значений и выбегов параметров, ведением вахтенно-
го журнала, сигнализацией отклонений, индикацией параметров
по вызову и сигнализацией включения и рабочего состояния меха-
низмов. Основная особенность системы состоит в использовании
принципа непрерывного обегания контролируемых параметров.
Несколько проще устроены СЦК шведской фирмы "Юнгнер"
типа ALSJ и подобные им отечественные системы типа "Алдан”.
Система централизованного контроля ALSJ построена по ка-
нально-блочному принципу без обегания точек. Контролируемые
параметры делятся на аварийные и предупредительные и индици-
руются блоком командно-исполнительной сигнализации "Контрол"
по программе "порт" либо "море" звуковой и световой сигнализаци-
ей. В зависимости от качества информации (критическая или не-
критическая) световая сигнализация изменяется соответственно с
красной на оранжевую. Число контролируемых параметров 160.
Для индикации результатов контроля используется печа-
тающий прибор "Кинцле" и стрелочные аналоговые индикато-
ры. Печать информации упрощена и не содержит численного
значения параметра, что является минусом системы.
216
Отечественная СЦК типа "Шипка-М" входит в состав системы
управления СЭУ "Залив-М" и по своим характеристикам соответ-
ствует системе Data chief. Возможности системы следующие:
непрерывное измерение 186 параметров, сравнение их с ус-
тавками и сигнализация с расшифровкой отклонений на мнемо-
схемах в ЦПУ;
разделение информации на аварийную (60 параметров) и пре-
дупредительную (126 параметров) и сигнализация о неисправно-
сти в рулевую рубку, каюту старшего механика, машинное отде-
ление, столовую команды, кают-компанию, салон комсостава,
каюту вахтенного механика, канцелярию (на стоянке) в виде све-
товых и звуковых сигналов;
регистрация включения и работы механизмов на мнемосхе-
мах в ЦПУ;
световая и звуковая сигнализация об отсутствии вахтенного
механика в ЦПУ более 30 мин в рулевую рубку и каюту старшего
механика;
измерение контролируемых параметров по вызову вахтенного
механика с индикацией значений и размерности на цифровом
табло (до 70 параметров);
непрерывное изменение основных параметров главного дизе-
ля аналоговыми стрелочными приборами, расположенными на
главном пульте системы;
формирование аварийного управляющего сигнала для измене-
ния режима работы главного дизеля при его защите с выдержкой
40 с, а также сигнала для ДАУ о выводе дизеля на минимально
устойчивую частоту вращения;
регистрация выхода параметров за уставку и возвращение в
норму на печатающей машинке (до 40 параметров);
дистанционное и автоматическое управление вспомогатель-
ными механизмами;
выдача информации в рулевую рубку и каюту старшего меха-
ника о нахождении вахтенного механика в ЦПУ.
В каждом измерительном канале СЦК "Шипка-М" имеются
датчики, устройства сбора и обработки информации и устройст-
ва представления информации, что является магистральным на-
правлением в построении централизованных систем контроля.
Основой построения СЦК в ближайшем будущем станут
мультипроцессорные системы с использованием единой аппара-
турной базы — управлением бортовым компьютером специали-
зированных процессов с постоянной программой. Системы кон-
троля будут иметь децентрализованную структуру и общие ши-
ны для передачи информации между объектами управления. На-
пример, уже эксплуатируемая система "Даматик" финской фир-
мы "Валмет атомейшн" построена именно по такому принципу
217
и позволяет в зависимости от конкретного исполнения СЭУ про-
граммировать в соответствии с требованиями классификацион-
ных обществ (см. табл. 5.1 ”5.3) только основной компьютер, а все
остальные специализированные процессоры имеют постоянные
программы для управления "прикрепленных" к ним объектов.
5.2. КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ В ОБСЛУЖИВАЮЩИХ СИСТЕМАХ
Топливная система. В дизельной энергетической установке то-
пливная система должна быть спроектирована таким образом,
чтобы обеспечить надежную долговременную работу дизелей на
наиболее дешевых сортах топлива. Предусматривается разделе-
ние топливной системы на трубопроводы приема и перекачива-
ния топлива, сепарации топлива и расходный топливный трубо-
провод.
Трубопровод приема и перекачивания топлива выполняет сле-
дующие функции: прием топлива с берега или другого судна и
выдачу его на другое судно; подачу принимаемого топлива в цис-
терны основного запаса, расположенные в междудонном про-
странстве или в диптанке; перекачивание топлива из одних цис-
терн основного запаса в другие; подачу тяжелого топлива из цис-
терн основного запаса в отстойные цистерны, дизельного топли-
ва — в расходные цистерны.
В состав трубопровода входят: станции приема топлива, обо-
рудованные манометром, термометром, самозапорным клапаном
для изъятия пробы топлива; трубы с фильтрами и клапанами, со-
единяющие станции с цистернами основного запаса; топливопе-
рекачивающие насосы с трубами и клапанами, соединяющие
станции с цистернами основного запаса, а также цистерны ос-
новного запаса между собой и с отстойными или расходными
цистернами; цистерны топлива (основного запаса и отстойные).
Трубопровод приема топлива оборудуется переливной трубой
в виде петли, на которой устанавливаются смотровое стекло и
предупредительное реле, а также цистерной для сбора перелив-
ного топлива. Запорные клапаны на приемных трубах цистерн
основного запаса имеют, как правило, привод дистанционного
закрытия из ЦПУ.
В соответствии с требованиями Правил Регистра топливные
трубопроводы должны быть отделены от трубопроводов других
систем. Запрещается прокладка топливных трубопроводов над
двигателями, турбинами, газовыпускными и паровыми трубопро-
водами. Запорные клапаны следует устанавливать непосредственно
на цистернах. Клапаны на расходных топливных цистернах долж-
ны быть быстрозапорного типа с дистанционным приводом. При-
218
емные трубы из междудонных цистерн должны быть оборудованы
запорными клапанами, расположенными выше этих цистерн.
Трубопровод сепарации топлива обеспечивает: прием топлива
насосами сепараторов из отстойных цистерн или цистерн основ-
ного запаса; подогрев топлива перед сепарацией; сепарацию, т. е.
отделение топлива от механических примесей и воды; заполне-
ние отсепарированным топливом расходных цистерн.
В зависимости от сорта сепарируемого топлива и вида сепара-
ции подогрев топлива перед сепараторами осуществляется до
80—98°С.
Схема трубопровода должна обеспечивать как раздельную, так
и совместную (при параллельном или последовательном их
включении) работу сепараторов (рис. 5.2).
Расходный топливный трубопровод выполняет следующие
функции: обеспечивает подвод очищенного от механических
примесей и воды топлива необходимой вязкости (температуры) к
главным и вспомогательным дизелям; при работе главных дизе-
лей на разных сортах топлива не допускает их смешивания (на
маневрах предусматривает смешивание топлив в смесительном
танке); обеспечивает замер расхода топлива дизелями и подачу
его к вспомогательным паровым котлам.
Расходный топливный трубопровод оборудован подогревате-
лями в расходной цистерне тяжелого топлива и буферном (сме-
сительном) танке, паровым топливным подогревателем перед
В цистерну основного запаса
------ Тяжелое топливо f ,f
Дизельное топливо
Рис. 5.2. Схема сепарирования топлива дизеля Зульцер RTA:
] — отстойные цистерны; 2, 3 — расходные цистерны; 4 — регулировочный клапан; 5, 70 —
подогреватели; 6— расходомер; 7— манометр; 8, 9 — сепараторы; 77, 12— насосы
219
23
Рис. 5.3. Расходная топливная система дизеля Зульцер RTA:
1 — главный дизель; 2 — ТНВД; 3 — измеритель аварийного перепада давления на фильтре;
4 — дифференциальный манометр; 5 — фильтр; 6 — подогреватель; 7 — манометры; 8, 11 —
подкачивающие насосы высокого и низкого давления; 9 — буферная цистерна; 10 — измери-
тель расхода топлива; 12 — фильтр; 13 — регулировочный клапан; 14 — клапан с ручным или
дистанционным управлением; 75, 18 — расходные цистерны тяжелого и дизельного топлива;
16, 17 — измерители верхнего и нижнего аварийных уровней; 19 — отстойные танки тяжело-
го топлива; 20 — вентиляционная колонка; 21 — измеритель верхней аварийной температу-
ры; 22 — конденсационный горшок; 23 — воздушные трубы
ТНВД, рециркуляционным трубопроводом с паровыми или элек-
трическими спутниками подогрева топлива (рис. 5.3).
Топливные системы должны быть снабжены приборами, по-
зволяющими контролировать уровни топлива в цистернах, давле-
ние и температуру топлива в системе. Для работы АПС автома-
тизированных СЭУ в топливной системе необходимо контроли-
ровать уровни топлива в расходных цистернах и танке протечек,
вязкость и давление топлива перед ТНВД, температуру топлива и
воды в сепараторах (см. табл. 5.1—5.3). В системе должны быть
220
предусмотрены автоматические устройства, прекращающие по-
дачу пара к змеевикам подогрева расходных и отстойных цистерн
при повышении температуры топлива выше допустимой, дистан-
ционный пуск и остановка из ЦПУ топливоподкачивающих на-
сосов в расходной системе; используется автоматическое управ-
ление топливными сепараторами.
Кроме перечисленных и контролируемых СЦК параметров,
типовая расходная топливная система оборудуется штатными
контрольно-измерительными приборами (см. рис. 5.3), позво-
ляющими:
включать по нижнему и отключать по верхнему аварийным
уровням пополнение топливом расходных цистерн тяжелого и
дизельного топлива; контролировать работу топливоподкачи-
вающих насосов по давлению на входе и выходе; измерять рас-
ход топлива; контролировать перепад давления на фильтре тон-
кой очистки и при превышении аварийной уставки переходить
на резервный фильтр; контролировать аварийно-высокий уро-
вень температуры в конденсационном горшке.
Среди особенностей эксплуатации расходной топливной сис-
темы отметим наличие подкачивающих насосов двух типов, что
обеспечивает давление в буферной цистерне выше атмосферно-
го (около 0,4 МПа) для снижения потерь от испарения топлива
при нагреве до 150°С. Кроме того, газообразование перед топли-
воподкачивающими насосами высокого давления и особенно
ТНВД может привести к срыву подачи топлива в цилиндры и,
как следствие, остановке двигателя.
Система смазочного масла. В систему входят следующие неза-
висимые системы: приемки масла; циркуляционного смазывания
главных и вспомогательных дизелей, охлаждения поршней (для
дизелей, поршни которых охлаждаются маслом), турбокомпрес-
соров главных дизелей; смазывания цилиндров главных дизелей
редукторных передач, органов управления и автоматического ре-
гулирования.
Циркуляционная смазочная система главного дизеля (и охлажде-
ния поршней для некоторых типов дизелей) обычно выполняется
по напорному принципу. Предусматривается установка фильтров,
сепараторов, холодильников, средств контроля и автоматического
регулирования, обеспечивающих поддержание частоты, заданных
значений температуры и давления масла (рис. 5.4).
Масло отстаивается в сточно-циркуляционных цистернах при
неработающих дизелях и подогреве масла до 70—80°С в течение 8—
10 ч, после чего воду и механические примеси удаляют через спуск-
ные краны. Фильтруется масло с помощью металлических щелевых
фильтров во время работы дизелей, а также самоочищающихся
фильтров, грязь из которых удаляют механическим или пневматиче-
221
ft и
В систему
сепарации
Я крейцкопфным
I подшипникам
Я коленча-
тому балу
11 10 9
Рис. 5.4, Циркуляционная смазочная система дизеля Зульцер RTA:
1 — главный дизель; 2 ~ циркуляционный танк; 3 ~ измеритель уровня; 4 — измеритель
нижнего аварийного уровня; 5— фильтр; 6 — насос; 7— манометры; 8 — насос подачи
масла к крейцкопфным подшипникам; 9 ~ измеритель аварийного перепада давления на
фильтре; 10 — дифференциальный манометр; 11 — фильтр; 12 — термостат; 13 — маслоох-
ладитель
ским способом. Сепарацию масла проводят периодически включе-
нием сепаратора параллельно циркуляционному контуру.
На судах с автоматизированными СЭУ должны быть обес-
печены: автоматический пуск резервных масляных насосов, авто-
матическое регулирование температуры масла на входе в двигате-
ли, а также определенный объем индикации, сигнализации и за-
щиты в соответствии с требованиями классификационных об-
ществ (см. табл. 5.1—5.3). Например, по Правилам Регистра не-
обходимо иметь постоянную индикацию давления масла на вхо-
де в дизель, в крейцкопфный узел и рамовые подшипники.
Аварийно-предупредительная сигнализация должна подавать
предупредительную сигнализацию в случаях: снижения давления
масла на входе в дизель, крейцкопфный узел и рамовые подшип-
ники; выхода за уставку температуры масла на входе в дизель;
повышения температуры упорного подшипника; увеличения
концентрации масляного тумана в картере в районе каждого ра-
222
мового подшипника; выхода за уставку уровня масла в сточно-
циркуляционной цистерне.
Система защиты должна останавливать главный дизель при чрез-
мерном падении давления масла в крейцкопфном узле и рамовых
подшипниках, снижать частоту вращения при повышении концен-
трации масляного тумана в картере и автоматически запускать ре-
зервный насос при понижении давления масла на входе в дизель.
Приведенная на рис. 5.4 схема циркуляционной смазочной
системы малооборотных дизелей Зульцер типа RTA полностью
удовлетворяет перечисленным требованиям. Кроме того, в систе-
ме устанавливаются приборы, позволяющие: контролировать ра-
боту циркуляционных насосов по давлению на входе и выходе;
измерять перепад давления на масляном фильтре и при превы-
шении аварийной уставки переходить на резервный фильтр.
Один из наиболее информативных параметров, характеризующих
нормальную работу циркуляционной смазочной системы, — неиз-
менность уровня масла в сточно-циркуляционной цистерне. Уровень
может увеличиться из-за обводнения масла в результате протечек сис-
темы охлаждения и поступления топлива из топливной системы, что
приводит к ухудшению качества масла. Снижение уровня ниже ава-
рийного значения может вызвать срыв циркуляционных насосов, па-
дение давления в смазочной системе и остановку дизеля.
Циркуляционная смазочная система каждого вспомогательно-
го дизеля выполняется в соответствии с Правилами Регистра не-
зависимо от смазочных систем главного и других вспомогатель-
ных дизелей, а необходимое оборудование (насосы, фильтры, хо-
лодильники) навешиваются на дизели.
Цилиндровые смазочные системы главных дизелей также яв-
ляются независимыми от других систем. Такая система состоит
из цистерн для хранения запаса цилиндрового масла, расходных
цистерн, насосов, трубопроводов и смазочных насосов. В по-
следнее время цилиндровые смазочные системы выполняются,
как правило, полностью автоматизированы.
При работе цилиндровой смазочной системы в автоматическом
режиме необходимо контролировать следующие параметры (рис.
5.5): уровни масла в расходной цистерне и танке запаса; нижний
аварийный уровень в расходной цистерне, при достижении которо-
го следует пополнить расходную цистерну цилиндровым маслом.
Система охлаждения. Система состоит из систем охлаждения
забортной и пресной воды. В последнее время применяют цен-
трализованные системы охлаждения, отличающиеся от обычных
тем, что пресная вода, охлаждающая главные и вспомогательные
дизели, компрессоры, масляные холодильники и др., охлаждает-
ся забортной водой в одном или двух центральных охладителях.
Централизованная система позволяет упростить и удешевить
223
Рис. 5.5. Цилиндровая смазочная система дизеля Зульцер RTA:
1 — главный дизель; 2 — смазочные насосы; 3 — фильтр; 4 - насос; 5 — ручной насос; 6 —
танк запаса масла; 7, 10 — измерители уровня; 8 расходная цистерна; 9 — измеритель
нижнего аварийного уровня
эксплуатацию системы охлаждения благодаря уменьшению числа
механизмов, фильтров, теплообменных аппаратов, непосредст-
венно соприкасающихся с забортной водой. Центральные охла-
дители в этом случае выполняют повышенного качества, что
значительно снижает коррозию труб, арматуры и теплообмен-
ных аппаратов, повышая надежность системы.
Основным фактором, определяющим устройство системы охла-
ждающей пресной воды, являются конструктивные особенности
главных дизелей. У некоторых дизелей форсунки охлаждаются то-
пливом, а поршни — маслом. В этом случае система охлаждающей
пресной воды наиболее проста: она предназначается для охлажде-
ния цилиндров и цилиндровых крышек. Такими системами обла-
дают дизели МАН и Бурмейстер и Вайн. Для дизелей МАН, как
224
правило, организуются два охлаждающих контура — для цилинд-
ров и поршней и для форсунок. Дизели Зульцер большой мощ-
ности обычно имеют трехконтурную систему охлаждения пре-
сной водой: для цилиндров, поршней, форсунок.
Основные требования, предъявляемые Правилами Регистра к
системам охлаждения пресной воды: установка расширительных
цистерн выше уровня воды в системах и подсоединение к при-
емным трубам насосов; отвод охлаждающей воды от двигателей
из точек, расположенных выше верхнего уровня охлаждаемых
полостей; отвод воздуха от циркуляционных систем; независи-
мость системы водяного охлаждения форсунок от других систем
и обслуживание двумя насосами; раздельные системы охлажде-
ния цилиндров и поршней; прогрев главных дизелей перед пус-
ком; оборудование системы охлаждения смотровыми окнами,
термометрами, манометрами, терморегуляторами и измерителя-
ми уровня, обеспечивающими автоматическое поддержание за-
данной температуры охлаждающей воды и защиту двигателя при
падении давления в соответствии с табл. 5.1—5.3.
Контроль параметров в системах охлаждения автоматизиро-
ванных СЭУ, осуществляемый СЦК, обеспечивает:
постоянную индикацию давления пресной охлаждающей воды
на входе в цилиндре, поршни, форсунки и давления забортной
воды на выходе забортной воды;
индикацию по вызову температуры воды на выходе из каждо-
го цилиндра, каждого поршня и форсунок;
срабатывание АПС и включение сигнала о неисправности по
нижнему давлению воды на входе в цилиндры, поршни, форсун-
ки, давлению забортной воды на выходе забортной воды; по
снижению уровня охлаждающей воды ниже уставки в расшири-
тельных цистернах охлаждения цилиндров и форсунок, сточной
цистерне охлаждения поршней; по верхнему уровню температу-
ры воды на выходе из каждого цилиндра, поршня, форсунки; по
уменьшению потока охлаждающей воды через каждый поршень;
включение системы АЗ и автоматический пуск соответст-
вующих резервных насосов по сигналу нижнего давления охлаж-
дающей воды на входе в цилиндры, поршни, форсунки и давле-
ния забортной воды на выходе забортной воды.
Кроме контролируемых СЦК параметров, в типовых систе-
мах охлаждения предусмотрено наличие штатных и измеритель-
ных приборов, позволяющих:
в системе забортной охлаждающей воды (рис. 5.6, а) контро-
лировать давление на входе и выходе забортной воды и темпера-
туру на входе и выходе воздухоохладителя наддувочного воздуха;
в системе охлаждения цилиндров (рис. 5.6, б) измерять давление
воды на входе и выходе, контролировать в расширительной цистерне
X Зпк. 1596 225
226
Рис. 5.6. Системы охлаждения дизеля Зульцер RTA:
7 — главный дизель; 2, 9 — воздухе- и маслоохладители; 3 — термостат; 4 — бортовой кла-
пан; 5 — термометры; 6 — рециркуляционный трубопровод; 7, 8 — водоохладители поршней
и цилиндров; 10 — фильтр; 77, 72 — днищевой и бортовой кингстоны; 13 — воздушная тру-
ба; 14 — манометры; 15 — насос; 16, 19 — температурные датчики; 77 — сепаратор для уда-
ления воздуха (центробежный); 18 — стабилизатор потока воды; 20 — вход в рубашки ци-
линдров; 27 — подогреватель; 22 — портовый насос; 23 — водоохладитель; 24 — испаритель;
25 — уравновешивающая труба; 26 — измеритель нижнего аварийного уровня; 27 — расши-
рительная цистерна; 28 — измеритель уровня; 29 — охладитель; 30 — цистерна проточек;
31 — сборный танк
текущий уровень воды и нижний аварийный уровень, при достиже-
нии которого необходимо пополнить расширительную цистерну водой;
в системе охлаждения поршней (рис. 5.6, в) измерять давле-
ние воды на выходе из насосов, текущий и нижний аварийный
уровни воды в сточном танке.
К особенностям контроля параметров в системах охлажде-
ния следует отнести необходимость поддержания избыточного
давления в системе охлаждающей пресной воды по отношению
к давлению в системе забортной воды. Избыток давления (око-
ло 0,05 МПа) необходим для предотвращения попадания в
случае протечек забортной воды в систему охлаждающей воды.
Уровни давлений контролируют по соответствующим маномет-
рам на выходе из насосов забортной и пресной воды.
227
8*
В конструкцию систем охлаждающей пресной воды заложен
автоматический принцип удаления газообразований через рас-
ширительные цистерны (см. рис. 5.6, б). Тем не менее необходи-
мо постоянно контролировать уровень воды в расширительной
цистерне, который является важным диагностическим показате-
лем нормальной работы систем охлаждения. Уменьшение уров-
ня возможно при наличии протечек в системе (трещины в холо-
дильниках, соединительных фланцах, трубопроводах и др.), уве-
личение — при наличии трещин в крышках, цилиндровых втул-
ках или блоке цилиндров, приводящих к существенному проник-
новению газов в систему охлаждения и невозможности их удале-
ния через расширительную цистерну из-за высокой интенсивно-
сти поступления.
Также необходимо постоянно контролировать давление воды
на выходе из насосов, чтобы в случае попадания газов в систему
предотвратить срыв насосов и нарушение стабильности потока
охлаждения деталей ЦПГ. Для повышения стабилизации потока
охлаждающей пресной воды системы охлаждения цилиндров и
поршней дополнительно комплектуются стабилизаторами пото-
ка воды, воздушными сепараторами, диафрагмами и демпферами
колебаний давления.
Система сжатого воздуха. Из двух пусковых баллонов глав-
ных дизелей сжатый воздух подается на главные и вспомогатель-
ные дизели, тифоны, в систему автоматики и на хозяйственные
нужды.
В соответствии с Правилами Регистра к системам сжатого
воздуха предъявляются следующие требования:
система пускового воздуха должна обеспечивать одновремен-
ные пуск и реверсирование всех главных дизелей, а запас сжато-
го воздуха должен быть достаточен для обеспечения не менее 12
пусков всех главных дизелей, подготовленных к действию, попе-
ременно на передний и задний ход;
для нереверсивных главных дизелей (с ВРШ, реверсредукто-
ром или при электродвижении) запас сжатого воздуха должен
обеспечивать шесть пусков главного дизеля, а при наличии двух
или более главных дизелей — не менее трех пусков каждого из
них;
запас сжатого воздуха для вспомогательных дизелей должен
обеспечивать шесть пусков одного дизеля наибольшей мощно-
сти;
из двух главных баллонов один является общим, а другой —
резервным, воздух из которого может расходоваться только на
пуск-реверс главных дизелей.
Для автоматизированных СЭУ системы сжцтого воздуха ком-
плектуются устройствами, обеспечивающими автоматическую ра-
228
боту компрессоров (в том числе пуск и остановку), очистку сжато-
го воздуха от примесей воды и масла с автоматическим продува-
нием влагомаслоотделителей и контроль давления в соответствии с
требованиями классификационных обществ (см. табл. 5.1—5.3).
По Правилам Регистра контроль давления воздуха перед глав-
ным стопорным клапаном осуществляется постоянно и в случае
его падения до нижнего уровня срабатывает АПС с выдачей пре-
дупредительного сигнала о неисправности, и АЗ автоматически
пускает подкачивающий компрессор. К числу контролируемых
СЦК параметров также относится давление воздуха в системе
управления, при снижении которого до нижнего уровня АПС
подает сигнал о неисправности.
Наличие штатных измерительных приборов, помимо парамет-
ров, контролируемых СЦК, позволяет измерять давление сжато-
го воздуха в баллонах пускового воздуха и давление воздуха, по-
даваемого в систему автоматики и на хозяйственные нужды.
5.3. ПОДГОТОВКА К ДЕЙСТВИЮ СЭУ
И ОБСЛУЖИВАЮЩИХ СИСТЕМ
Техническая эксплуатация судовых технических средств долж-
на производиться в строгом соответствии с инструкциями заво-
дов-изготовителей и требованиями Правил технической эксплуа-
тации. В тех случаях, когда инструкции заводов-изготовителей не
согласуются с отдельными положениями Правил, должны вы-
полняться требования инструкций, а при отсутствии инструк-
ций заводов-изготовителей они должны быть разработаны с уче-
том требований Правил и утверждены судовладельцем.
Подготовка главного дизеля к действию — одна из наиболее час-
тых и ответственных задач эксплуатации. Одна из особенностей со-
стоит в том, что готовность дизеля к работе в установках с ВФШ
может быть окончательно проверена лишь одновременно с выпол-
нением судном необходимого маневра. Отказ в работе дизеля при
пуске есть невыполнение основного требования — безопасности ма-
неврирования. Другая особенность — большой объем подготови-
тельных работ. Наряду с главным дизелем проверяют и вводят в
действие обслуживающие системы, вспомогательные дизели, кот-
лы, электростанцию, элементы валопровода и винторулевой группы,
систему управления, т. е. 100%-ному уровню готовности главного
дизеля должна соответствовать и полная готовность СЭУ. Только в
этом случае с передачей на мостик сигнала "Двигатель готов" в
любой момент могут быть обеспечены автоматизированный пуск
главного дизеля и движение судна в заданном направлении.
В установках с ВРШ и разобщительными муфтами условия
подготовки дизеля к работе менее критические. Пуск осуществ-
229
ляется в режиме холостого хода (при отключенных муфтах), все-
гда имеется возможность повторных пусков и предварительного
прогрева при работе на ВРШ с шагом нулевого упора.
При высоком уровне автоматизации систем управления и за-
щиты дизелей в рабочих условиях автоматизация процессов под-
готовки их к действию проблематична. Программная подготовка
к работе и автоматизированный пуск применяются пока для
вспомогательных и аварийных дизелей. Сложный алгоритм под-
готовки главного дизеля к пуску реализуется при непосредствен-
ном участии вахтенного персонала. Для его эффективного осу-
ществления необходимы осознанные действия, профессиональ-
ный опыт и знания в области эксплуатации дизелей, систем
управления и процессов пуска и реверсирования.
В обобщенном виде работы по подготовке дизеля к действию
излагаются в ПТЭ судовых технических средств и конкретизи-
руются в эксплуатационных инструкциях иногда в хронологиче-
ской форме с указанием длительности, последовательности и ха-
рактера операций. Неукоснительное следствие правилам и инст-
рукциям является обязательным. Однако в этих материалах не
всегда объясняется физический смысл проводимых операций, и
осознанная ответственность их выполнения снижается. Рассмот-
рим эти стороны подготовительных работ более подробно.
В зависимости от исходного состояния и типа главного дизеля
подготовка его к работе может составлять 2—4 ч. В соответствии
с этим капитан должен заблаговременно дать команду старшему
механику о подготовке установки к определенному времени. С
момента передачи этой команды вахтенному механику и начина-
ется отсчет времени.
Подготовительные работы выполняет вахтенный персонал под
наблюдением старшего или второго механика. Состоят они из под-
готовки обслуживающих систем (смазочной, охлаждения, топлив-
ной, сжатого воздуха), валопровода, дизеля и систем управления.
Введение в работу циркуляционного контура смазочной систе-
мы — первейшая задача в цепи подготовительных операций. Это
объясняется тем, что дизель перед пуском необходимо прокачи-
вать подогретым маслом непрерывно в течение не менее 1 ч с
целью удаления воздуха и создания гарантированного масляного
слоя в смазываемых узлах, особенно в головных подшипниках.
Воздух удаляют из системы через краны продувания на фильт-
рах, маслоохладителях, трубопроводах, в том числе в системе
масляного охлаждения поршней (дизелей МАН и Бурмейстер и
Вайн). Проникновению масла к узлам способствуют поворачива-
ние дизеля валоповоротным устройством, подогрев (до темпера-
туры не более 45 °C) и снижение вязкости. Сокращение реко-
мендованной длительности работы смазочной системы не допус-
230
кается и циркуляция масла производится непрерывно в течение
всего времени подготовки дизеля к пуску.
Не менее ответственная операция — подготовка системы ох-
лаждения и предварительный прогрев дизеля перед пуском. Для
сокращения времени прогрева обычно предусматривается про-
качивание главного дизеля на стоянке водой, выходящей из сис-
темы охлаждения вспомогательных дизелей. Однако такого про-
грева недостаточно. Дополнительно включают подогреватель во-
ды в контуре циркуляции системы охлаждения главного дизеля,
и при рабочем давлении температуру воды на выходе постепенно
в течение 1 ч повышают до рабочего значения. В процессе про-
гревания через воздушные краны на фильтрах, водоохладителях,
трубопроводах из системы удаляют воздух. При рабочих давле-
нии и температуре дизель прокачивают водой также в течение
всего времени подготовки к пуску. При температуре воды на вы-
ходе 60°С пуск дизеля и последующие маневренные режимы
обычно протекают без затруднений. В исключительных случаях
пуск дизеля допускается и при более низкой температуре (до
20°С). Капитан должен быть предупрежден об ограниченных воз-
можностях нагружения дизеля, прогрев которого будет продол-
жаться в режиме малого хода.
Параллельно с работой системы охлаждения главного дизеля
проверяют готовность системы забортной воды (работу насосов,
воздухоохладителей, систем терморегулирования воды, масла,
воздуха). После проверки насос забортной воды останавливают и
пускают вновь непосредственно перед пуском дизеля.
В зависимости от типа главного дизеля должны быть введены
в действие автономные системы: смазывания турбокомпрессоров,
охлаждения форсунок и гидропривода выпускных клапанов. Кон-
троль рабочего давления и выхода масла из подшипников турбо-
компрессора, удаление воздуха из полости гидротолкателей —
важнейшие операции, выполняемые при подготовке этих систем.
С наибольшим сдвигом по времени начинается подготовка систе-
мы тяжелого топлива, спуск отстоя из фильтров и цистерн, включе-
ние подогревателей топлива в расходной цистерне, проверка дейст-
вия дистанционных быстрозапорных клапанов. С повышением темпе-
ратуры в расходной цистерне до рабочего значения (на 10°С ниже
температуры вспышки) вводят в действие контур циркуляции тяжело-
го топлива: циркуляционная цистерна—топливоподкачивающий на-
сос—конечный подогреватель топлива перед двигателем—ТНВД и
форсунки—вентиляционная колонка (см. рис. 5.3). С помощью регу-
лятора вязкости температуру топлива постепенно в течение 1 ч дово-
дят до значений, при которых обеспечивается необходимая для каче-
ственного распиливания вязкость. В процессе циркуляции произво-
дят усиленную деаэрацию контура через вентиляционную колонку,
231
воздушные краны на фильтрах, ТНВД и форсунках, а также прогре-
вают прецизионные детали ТНВД и форсунок для предотвращения
заеданий при пробных пусках. В случае разборки топливопровода вы-
сокого давления (например, при замене форсунок) обязательно про-
качивание ТНВД и форсунок вручную до полного удаления воздуха.
Циркуляция топлива сохраняется в течение всего времени подготов-
ки дизеля к пуску. При пуске двигателя на легком топливе перечис-
ленные операции выполняются без подогрева топлива.
В системе сжатого воздуха проверяют работу главных ком-
прессоров и влагомаслоотделителей, давление воздуха в пуско-
вых баллонах доводят до рабочего (2,5—3,0 МПа), продувают
баллоны, проверяют срабатывание предохранительных клапа-
нов. При закрытом стопорном клапане на дизеле и открытых ин-
дикаторных кранах на цилиндрах медленным открыванием за-
порных клапанов на баллонах (во избежание гидравлического
удара) заполняют и продувают трубопровод подвода воздуха к
дизелю. По манометрам на баллонах и в ЦПУ контролируют
давление пускового и управляющего воздуха, проверяют отсутст-
вие протечек и плотность закрытия стопорного клапана.
Подготовка валопровода сводится к подаче масла к подшипникам
(упорному, опорным, дейдвудному), проверке уровня масла в масля-
ных ваннах, напорных цистернах дейдвуда, включению системы сма-
зывания редуктора и питания гидромуфт, проверке системы управле-
ния муфтами и шагом винта. По приборам в ЦПУ контролируют
правильность подключения систем управления, при необходимости
удаляют из них воздух. Последнее особенно важно для системы
управления ВРШ, если подготовке предшествовало ее вскрытие. На-
грев насоса системы управления ВРШ и неравномерная подача мас-
ла — верные признаки наличия воздуха в системе и, как следствие,
возможного отказа задания требуемого шага винта и выполнения ма-
невра.
Подготовка дизеля и системы управления — это ряд последова-
тельных операций с целью проведения заключительного этапа —
пробных пусков дизеля. Прежде всего дизель проворачивают вало-
поворотным устройством. В установках с прямой передачей — это
одновременно проворачивание валопровода и винта, что обяза-
тельно должно быть согласовано с вахтенным помощником капи-
тана. К этому моменту дизель прокачивают маслом и непосредст-
венно перед проворачиванием усиленно подают смазочное масло
насосами в цилиндры и к другим точкам смазывания. Во избежа-
ние случайного проворачивания на воздухе перекрывают трубо-
провод подвода воздуха к воздухораспределителю и убеждаются в
нулевой подаче ТНВД. На посту управления рукоятку ставят в по-
ложение '‘Стоп" и вывешивают табличку "Валоповоротное устрой-
ство включено". Дизель поворачивают на 2—3 оборота только при
232
открытых индикаторных кранах на всех цилиндрах. В противном
случае компрессия хотя бы в одном цилиндре приводит к пере-
грузке валоповоротного устройства и увеличению силы потребляе-
мого тока (на контрольном амперметре). Последнее может быть и
по другим причинам, что свидетельствует о неисправном состоя-
нии дизеля или валопровода. Повторное проворачивание возмож-
но только после устранения неисправности. Во время проворачи-
вания также необходимо следить за посторонними шумами и вы-
ходом воздуха через индикаторные краны. При выходе из кранов
воды, масла или топлива следует приостановить подготовку до вы-
яснения причин их попадания в цилиндры и .сообщить об этом
старшему или второму механику.
По завершении проворачивания валоповоротное устройство
отключают и стопорным устройством фиксируют в положении
"Отключено”. С поста управления снимают вывешенную таб-
личку и проверяют выход сигнала "Валоповоротное устройство
отключено".
Не позднее чем за 30 мин до окончательной готовности присту-
пают к проворачиванию дизеля на воздухе, предварительно получив
разрешение с мостика. При этом проверяют движение тяг привода
ТНВД и регулятора перемещением рукоятки местного поста управ-
ления в положение "Работа" и обратно в положение "Стоп".
Открывают стопорный клапан и клапан подвода воздуха к возду-
хораспределителю. На посту управления в ЦПУ указатель враще-
ния ставят в положение "Медленное вращение", а телеграф — на
"Самый малый ход вперед". При открытых индикаторных кранах
и кранах продувания воздушного ресивера и выпускного коллек-
тора проворачивают дизель на воздухе на 1—2 оборота. Убедив-
шись в нормальном наборе частоты вращения по тахометрам ди-
зеля и турбокомпрессоров, закрывают краны продувания и инди-
каторные краны и производят пробные пуски с переходом на то-
пливо сначала "Вперед", потом "Назад". В случае дистанционного
управления пробные пуски проводят с постов в ЦПУ и на мос-
тике. При отсутствии неисправностей в дизеле, системах пуска
и управления на мостик передают сигнал о готовности дизеля и
согласуют действия постов управления.
Для установок с ВРШ дополнительно из ЦПУ и с мостика
проверяют работу системы управления и механизма изменения
шага винта на ход "Вперед" и "Назад” и возвращают лопасти в
положение нулевого шага.
Отметим некоторые положения ПТЭ в отношении эксплуата-
ции автоматизированных СЭУ:
при подготовке автоматизированных технических средств к
действию после продолжительного нерабочего периода должна
233
быть проверена работоспособность средств автоматизации, в
том числе АПС и АЗ;
в случае неисправностей в работе системы ДАУ вахтенный
механик по согласованию с вахтенным помощником может пе-
рейти на управление главным дизелем из машинного отделения
и известить об этом старшего механика и электромеханика;
при срабатывании защиты главного дизеля вахтенный меха-
ник должен в короткий срок установить причину и по согласова-
нию с вахтенным помощником восстановить режим работы ди-
зеля; при заведомо ложном действии защиты вахтенный механик
имеет право отключить ее и восстановить режим работы главно-
го дизеля, поставив об этом в известность старшего механика,
электромеханика и вахтенного помощника;
регистратор маневров должен находиться во включенном со-
стоянии и на маневрах, и в ходовом режиме судна; ленты регист-
ратора маневров хранятся на судне в течение одного года.
Рис. 5.7. Принципиальная схема регулятора частоты вращения Вудвард PGA-12:
1 — датчик давления наддува; 2 — стравливающий конический клапан; 3 — поршневой по-
зиционер-преобразователь; 4 — кулачок косого профиля; 5 — ролик; 6 — рычаг; 7 — блок
остановки; 8 — сравнительный рычаг; 9 — силовой поршень; 10 — управляющий золотник;
Рн ~ давление наддува; R, S, Т — регулировочные винты; /у, 1Т — контрольные ориен-
тиры
234
Заключительной стадией в подготовке дизеля к пуску является не-
посредственно процесс пуска, определяемый в первую очередь пуско-
вой подачей топлива исходя из условия надежного перевода дизеля на
топливо. Уменьшение пусковой подачи приводит к неудавшемуся
пуску, а увеличение — к повышению механической напряженности
дизеля. Пусковая подача зависит от технического состояния дизеля,
степени его прогрева, давления пускового воздуха, осадки судна, ско-
рости и направления его движения и др. При ручном управлении за-
дание пусковой топливоподачи целиком определяется опытом вахтен-
ного механика. В системах ДАУ учесть все факторы невозможно и
обычно предусматривается задание нормальной и увеличенной пуско-
вой дозы топлива. Увеличенная подача топлива осуществляется в ава-
рийных условиях либо при повторном пуске в случае неудачного пус-
ка по нормальной программе.
Таблица 5.4
Признаки неисправности дви-
гателя
Причина неисправности
Способ устранения неисправ-
ности
При пусках двигатель не
переходит на топливо либо
неустойчивый характер ра-
боты двигателя
Малое значение
декса пусковой
дачи топлива hpn
ин-
по-
сильная дымность выпус-
кных газов на пусках, воз-
можность подрыва предохра-
нительных клапанов в
крышках цилиндров при
первых вспышках
Увеличение частоты вра-
щения вала двигателя и
Большое значение
индекса пусковой по-
дачи hpn топлива
Малый уклон косо-
го профиля кулачка к
прекращение подачи топли-
ва в цилиндры при достиже-
нии топливными насосами
индекса пусковой подачи
оси поршня позици-
онера (большое значе-
ние /7) и/или сильное
ослабление его пру-
жины (малое значе-
ние /5)
Двигатель значительно не
достигает параметров номи-
нального режима
Недостаточный ук-
лон косого профиля
кулачка к оси поршня
датчика давления над-
Двигатель не выходит на
номинальный режим мощ-
ности, находясь вблизи его
дува
При оптимальном
уклоне косого профи-
ля кулачка высокий
порог по давлению
наддува для установ-
ленного индекса пус-
ковой подачи топлива
Регулировочным винтом
R, увеличивая размер /л, до-
биться надежных пусков
двигателя и устойчивой ра-
боты на маневрах
Регулировочным винтом
R, уменьшая размер ус-
транить дымление без ухуд-
шения маневренных качеств
двигателя
Раздельным либо по-
очередным совместным ре-
гулированием винтов Т и S
(уменьшая размер /7 и уве-
личивая /5) добиться повы-
шения частоты вращения
вала двигателя с увеличени-
ем индекса ТНВД выше hp]}
Регулировочным винтом
Т, уменьшая размер /7, вы-
вести двигатель на номи-
нальный режим работы
Раздельным либо по-
очередным совместным ре-
гулированием винтов S и R
(увеличивая размеры 1$ и /л)
добиться выхода двигателя
на номинальный режим ра-
боты
235
Окончание табл. 5. 4
Признаки неисправности дви-
гателя
Причина неисправности
Способ устранения неисправ-
ности
Дымный выпуск и
перегрузка двигателя при ра-
боте на режимах:
номинальном или вбли-
зи него
промежуточных ходовых
ходовых
Большой уклон ко-
сого профиля кулачка
к оси поршня датчика
давления наддува
Малый уклон косо-
го профиля кулачка к
оси поршня датчика
давления наддува и
пережатии его пружи-
ны
Пережатие пружи-
ны датчика давления
наддува
Регулировочным винтом
Г, увеличивая размер 1Т, ус-
транить дымление и
перегрузку двигателя
Поочередным регулиро-
ванием винтов Т и S
(уменьшая I? и /5) устранить
дымление и перегрузку дви-
гателя
Регулировочным винтом
5, уменьшая размер /5, ус-
транить дымление и
перегрузку двигателя на
нижней границе ходовых
режимов, а затем и на но-
минальном режиме
Нормальная доза топлива при автоматизированном управле-
нии несколько завышается по сравнению с неавтоматизирован-
ным с целью повысить надежность пуска, и она не может изме-
няться без перестройки элементов системы ДАУ, управляющей
пуском. Чрезмерное увеличение пусковой подачи также нежела-
тельно, поскольку появляются условия возникновения повышен-
ной механической напряженности и плохого горения топлива
из-за слабой работы системы воздухоснабжения.
Широко распространенные на судах регуляторы частоты вра-
щения вала дизелей ряда PG и VG фирмы "Вудвард” имеют
встречное устройство программного ограничения подачи топлива
по давлению наддувочного воздуха (рис. 5.7). Неудачная на-
стройка системы может являться существенной причиной ухуд-
шения надежности пусков и неудовлетворительной работы ди-
зеля.
Настройка ограничителя подачи топлива осуществляется регу-
лировочными винтами: R блока остановки, S датчика давления
наддува и Т изменения уклона профиля кулачка позиционера в
соответствии с диагностической таблицей (табл. 5.4). Параметра-
ми настройки являются размеры /^, /у и /^относительно базовых
поверхностей.
Глава 6
ТОПЛИВА. ТОПЛИВОПОДГОТОВКА
6.1. ПОЛУЧЕНИЕ И СОСТАВ ТОПЛИВ
Топлива для дизелей получают из сырой нефти. При перера-
ботке нефть обезвоживают, выщелачивают, затем следуют собст-
венно переработка и химическая очистка полученных продук-
тов. Процесс переработки (рис. 6.1) состоит из атмосферной и
вакуумной дистилляции, термического и каталитического кре-
кингов.
Атмосферная дистилляция (1). или процесс прямой перегонки
нефти, — первичная ее переработка, заключающаяся в нагреве
нефти в трубчатой печи до температуры 320—-330°С, где она пе-
реходит в газообразное состояние. Продукты испарения посту-
пают в ректификационную (дистилляционную) колонну, где
нефть разделяется при атмосферном давлении на фракции (пого-
ны) с различными пределами температуры кипения. Причем ка-
ждая фракция содержит присущие ей группы углеводородов, от-
личающихся как химической структурой, так и молекулярной мас-
сой. В верхней части ректификационной колонны температура
держится на уровне 90°С, по мере опускания температурный гра-
диент увеличивается, соответственно растут и температурные пре-
Рис. 6.1. Классический (л) и современный (б) процессы нефтепереработки (свет-
лые стрелки — дистилляты, темные — остаточные компоненты)
237
делы отбираемых фракций. В случае прямой перегонки нефти из
ректификационной колонны при температуре 30—200°С отби-
раются газ, химическое сырье, бензин, при 120—250°С — горючее
для реактивных двигателей, 150—315°С — керосин, 150—360°С —
дизельные топлива, легкий и тяжелый газойли. Неиспарившаяся
часть нефти собирается в нижней части колонны, образуя оста-
ток, который используют либо для приготовления тяжелых топ-
лив, либо он поступает в вакуумную установку для последующей
переработки.
Дистилляция при вакууме позволяет понизить температурные
пределы кипения фракций, что способствует дополнительному
их выделению.
В процессе вакуумной дистилляции (2) в диапазоне темпера-
тур 350—490°С отбираются фракции, идущие на приготовление
базовых компонентов смазочных масел. Отбираемой из вакуум-
ной колонны погон с наиболее низким пределом кипения пред-
ставляет собой тяжелый газойль, который может быть использо-
ван в качестве основного компонента при производстве тяжелых
топлив (мазутов) либо направляется на вторичную, более глубо-
кую обработку, в установки каталитического или термического
крекинга, коксования, висбреакинга.
В крекинг-процессах тяжелые углеводороды, содержащиеся в тя-
желом газойле или остатке, под действием высоких давлений (до
10 МПа) и катализаторов — каталитический крекинг (4) либо вы-
соких температур (450—700°С) — термический крекинг (3) (вис-
бреакинг) подвергаются химическим изменениям, сопровож-
дающимся дроблением молекул с образованием легких углеводо-
родов. В результате выход светлых нефтепродуктов увеличивается.
Об эффективности вторичных процессов наглядно свидетель-
ствуют рис. 6.2 и табл. 6.1, из которой видно, что выход бензи-
нов увеличивается на 30%, дизельного топлива — на 8%, а ко-
личество остаточных нефтепродуктов, используемых для приго-
товления тяжелых топлив, сокращается с 38 до'6%.
Таблица 6.1
Нефтепродукты Изменения в выходе нефтепродукта, %, в результате
дистилляции дистилляции и вторичных процессов
Газовые продукты 2 3
Бензины 18 48
Керосины 7
Дизельные топлива 24 32
Моторные (тяжелые) топлива 38 6
Другие нефтепродукты 11 11
238
I ........ । i 7uum^/c при biru 38Umm</c при зи~ь
Рис. 6.2. Роль процессов каталитического крекинга и вибреакинга в увеличении
выхода легких нефтепродуктов:
I ~ газ; 7/ — бензины; 7/7 — дизельное топливо; IV — тяжелые компоненты; V — легкие
компоненты; 7 — остаток атмосферной дистилляции; 2 — кокс; 3 — жидкий каталитический
крекинг; 4 — висбреакинг
В общем балансе тяжелых нефтяных топлив доля топлив, по-
лучаемых из остаточных продуктов вторичных -процессов, непре-
рывно растет. При этом в силу того, что остатки вторичных про-
цессов есть результат трехкратной обработки (атмосферной, ваку-
умной и крекинга), а также благодаря чрезвычайно жестким усло-
виям протекания процессов крекинга и висбреакинга (Vicebreak-
ing) их остаточный продукт приобретает вязкость около 700 мм2/с
и в нем сосредоточиваются тяжелые углеводороды со сложной
циклической структурой, непредельные углеводороды, склонные
к полимеризации и образованию асфальтосмолистых соедине-
ний, а также значительные количества серы и ванадия.
Совершенно очевидно, что тяжелые топлива, приготовляе-
мые путем смешивания этих остатков с керосино-газойлевыми
фракциями в целях понижения вязкости, по сравнению с суще-
ствующими тяжелыми топливами (классическими мазутами), по-
лучаемыми из остатков в атмосферной или вакуумной установке,
будут иметь значительно худшие показатели.
Все нефтяные топлива в зависимости от месторождения и ме-
тода нефтепереработки в основном состоят из находящихся в той
или иной пропорции парафиновых, нафтеновых и ароматиче-
ских углеводородов, обладающих следующими свойствами:
парафиновые соединения — высокое цетановое число (хорошая
самовоспламеняемость), низкая плотность и большая вязкость,
высокая массовая теплота сгорания и низкая объемная, высокая
теплота застывания, малая тенденция к дымлению;
239
нафтеновые соединения — среднее значение цетанового числа,
умеренно высокие плотность и тенденция к дымлению, высокая
массовая теплота сгорания, низкая температура застывания;
ароматические соединения — низкое цетановое число, плохая
самовоспламеняемость, высокая плотность, низкая массовая теп-
лота сгорания, очень высокая тенденция к дымлению, умеренно
высокая температура застывания.
Перечисленные свойства углеводородов определяют и соот-
ветствующие свойства топлив, в состав которых они входят.
Так, остаточные топлива из парафиновых нефтей, содержащие в
основном высокомолекулярные парафиновые соединения, обла-
дают хорошими моторными свойствами. Топлива из асфальто-
смолистых ароматических нефтей содержат значительно меньше
парафинов, но в них находится большее количество нафтено-
ароматических соединений с кольцевым строением молекул, ха-
рактеризующихся высоким соотношением С/Н и содержащих
твердые или полутвердые композиции углерода, асфальтенов, ор-
ганических соединений кислорода, азота, серы, ванадия и других
элементов. Такое топливо на порядок хуже предыдущего. Кре-
кинг-продукты отличаются особенно большим содержанием вы-
сокоароматизированных композиций, характеризующихся боль-
шими соотношением С/Н и молекулярной массой.
В дополнение к влиянию на состав и структуру топлив место-
рождения нефти существенные коррективы вносят технологиче-
ские процессы. Этим объясняется, что топлива одной марки или
одинаковой вязкости, но разных поставщиков могут существен-
но отличаться по своим свойствам и показателям. Практика по-
казывает, что поставщики, как правило, предлагающие топлива
по более низкой цене, пытаются сбыть топлива, у которых неко-
торые показатели не укладываются в заданные, пределы, что при
последующем использовании может вызвать серьезные наруше-
ния в работе дизелей. Поэтому рекомендуется пробы топлива на-
правлять на экспресс-анализ в лаборатории.
6.2. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ТОПЛИВ
Общие сведения. В практике эксплуатации СЭУ часто прихо-
дится решать вопросы, связанные с оценкой допустимости и
экономической эффективности применения того или иного топ-
лива в двигателях и котлах, выбором способа его обработки, под-
бором необходимых по качеству масел и пр. Для этого необходи-
мо располагать информацией о свойствах топлива, к числу кото-
рых в первую очередь относятся: вязкость v; плотность р; темпе-
ратуры вспышки /всп и застывания /заст; содержание компонентов
240
(серы S, ванадия V, натрия Na, воды), кокса по Конрадсону, ас-
фальтосмолистых веществ, механических примесей, золы, алюми-
ния; теплота сгорания QH.
Для оценки качества современных тяжелых топлив, получаемых
из продуктов вторичной переработки нефти, перечисленных пока-
зателей недостаточно. В частности, увеличение содержания в кре-
кинг-остатках ароматических соединений, асфальтенов ухудшает
их способность к воспламенению и сгоранию. При смешивании
таких топлив отмечаются случаи нарушения их стабильности, обу-
словленного высоким содержанием асфальтосмолистых соедине-
ний. В продукты каталитического крекинга попадает катализатор-
ная пыль, состоящая из алюмосиликатов, вызывающих интенсив-
ное абразивное изнашивание цилиндров. В связи с этим новые
международные требования на морские топлива (CIMAC, BSI,
ISO) дополнены требованиями по следующим показателям: содер-
жанию асфальтенов (взамен содержания асфальтосмолистых ве-
ществ), способности к самовоспламенению, стабильности и совмес-
тимости; содержанию алюминия и кремния.
Вязкость. Это одна из важнейших физических характеристик
топлива, обусловливающая сопротивление его течению по трубо-
проводам. В международной системе единицей вязкости кинема-
тической является м2/с или мм2/с (последняя численно совпада-
ет с единицей сантистокс, часто используемой в технических
документах). Вязкость дистиллятных топлив обычно задается
при 20°С, а тяжелых — при 50 или 80°С. До введения междуна-
родной системы единиц вязкость топлив выражалась в градусах
условной шкалы (°ВУ) или равнозначных им градусах Энглера
(°Е). Для пересчета можно воспользоваться соотношением
1°Е = 0,132 сСт. За рубежом широко использовались единицы вяз-
кости, выражаемые в секундах Редвуда (Red I) или Сейболта уни-
версального (SU) при 37,8°С. Используя номограмму (рис. 6.3),
можно перевести вязкость из одной системы единиц в другую. На
рисунке указаны рекомендуемые пределы вязкости топлив перед
ТНВД двигателей малооборотных (линия У), средне- и высокообо-
ротных (2); точка а — топлива перекачиваются с трудом.
Вязкость нефтяных топлив в зависимости от способа по-
лучения лежит в очень широких пределах: от 2—10 мм2/с (дис-
тиллятные сорта) до 400—700 мм2/с (остатки дистилляции и
вторичных процессов нефтепереработки). В зависимости от
вязкости топлива подразделяют на маловязкие — вязкостью до
12 мм2/с при 20°С (2° ВУ), средневязкие — вязкостью от
12 мм2/с при 20°С до 35 мм2/с при 50°С (5° ВУ), высоковязкие —
вязкостью более 35 мм2/с при 50°С.
241
Рис. 6.3. Номограмма вязкостно-температурных характеристик топлив
Вязкость нефтепродуктов в большой мере зависит от температу-
ры, и это обстоятельство широко ^используют в практике эксплуата-
ции для достижения необходимой вязкости путем подогрева топлив.
В частности, тяжелые высоковязкие топлива подогревают в танках
запаса для обеспечения текучести при перекачивании, что в свою
очередь может быть обеспечено, если их вязкость у приемного пат-
242
рубка не превышает 1000 мм2/с. Подогрев необходим в отстойных и
расходных цистернах, перед сепарацией и непосредственно перед
ТНВД дизеля или форсунками котла. Используя номограмму (см.
рис. 6.3), можно выбрать необходимую температуру подогрева топ-
лива, если известны заданная и начальная вязкость.
Вязкость лишь косвенно отражает качество топлив, на мировом
рынке ее используют в качестве критерия при заказе топлив и опре-
делении цены на них, она также входит в маркировку топлив (напри-
мер, IFO-180 означает промежуточное топливо вязкостью 180 мм2/с).
Плотность. В стандартах на топлива при оценке их плотности
используется ее относительное значение, представляющее собой
отношение массы заданного объема топлива при температуре
20°С к массе такого же объема пресной воды при 4° С (р4 ). За
рубежом плотность задается при температурах топлива и воды
15°С (р^). Плотность, представляющая собой отношение массы
продукта к единице объема, задается в килограммах на кубиче-
ский метр (кг/м3) и в цифровом выражении незначительно от-
личается от ее относительного значения. На практике этим от-
личием пренебрегают, принимая за плотность ее относительное
значение. Невелика разница и между р4° и р}^. При бункеров-
ках тяжелые топлива поступают на судно при более высоких тем-
пературах, чем стандартная, поэтому при определении массы
принятого топлива необходимо привести плотность специфика-
ционную (указанную в паспорте на топливо) к плотности при
фактической температуре /, используя выражение
р, = Р4° - k(t - 20), (6.1)
где к = 0,7; 0,6; 0,5 соответственно при рд° = 820 + 889, 890 -г 969 и
970 -ь 1000 кг/м3.
Плотность, как и вязкость, является косвенной характеристи-
кой качества топлив. Высококачественные парафинистые прямо-
гонные дистилляты типа Gas Oil (дизельное Л) имеют плотность
около 830—860 кг/м3, в то время как плотность ароматических
дистиллятных топлив 880—910 кг/м3. Крекинг-дистилляты имеют
еще более высокую плотность, а если они получены из ароматиче-
ских нефтей, то их плотность может достигать 1000 кг/м3.
Плотность остаточных прямогонных топлив из парафинистых
нефтей составляет 870—930 кг/м3, при высоком содержании ас-
фальтосмолистых составляющих плотность тяжелых остаточных
243
топлив возрастает до 950—970 кг/м ; крекинг-остатки могут
иметь плотность 980—1030 кг/м3.
В общем случае следует иметь в виду, что высокая плотность
является свидетельством присутствия в топливе высокоаромати-
зированных тяжелых асфалътосмолистых углеводородов, ухуд-
шающих самовоспламеняемость топлив, увеличивающих продолжи-
тельность и неполноту сгорания, усиление нагарообразования. При
плотности более 991 кг/м3 затрудняется сепарирование топлива.
Температура вспышки. Низшая температура, при которой нагре-
ваемое топливо испаряется и образующиеся пары, перемешиваясь с
воздухом, создают смесь, вспыхивающую при поднесении к ней
пламени, есть температура вспышки. Она зависит от температуры
кипения, испаряемости и упругости паров топлива и определяет его
пожарную безопасность. Регистр РФ допускает использование на
судах топлив, температура вспышки которых в закрытом тигле не
ниже 61 °C. Тяжелые остаточные топлива в отличие от дизельного
обладают худшей испаряемостью, поэтому их температура вспышки
выше (75—85 °C). Однако это не означает их большую пожаробезо-
пасность, так как в ряде случаев отмечается выделение из тяжелых
топлив легких углеводородов, концентрирующихся в верхней части
танка, композиция паров которых может обладать температурой
вспышки, лежащей внутри зоны воспламеняемости. Этот процесс
может происходить даже при температурах топлива в танке, находя-
щихся ниже его температуры вспышки.
Наиболее четкая тенденция к генерированию легких углево-
дородов отмечается у тяжелых топлив, полученных крекинг-про-
цессами. В целях предотвращения воспламенения паров топлива
необходимо, чтобы температурный режим во всех открытых (со-
общенных с атмосферой) элементах топливной системы поддер-
живался на уровне, не превышающем температуру вспышки топ-
лива минус 15 °C. Вентиляционные трубы танков должны быть
чистыми и обеспечивать хорошую вентиляцию верхнего незапол-
ненного пространства. Пламегасящие сетки и ловушки должны
быть исправны и все источники воспламенения не должны нахо-
диться в зоне выхода вентиляционных труб. При заполнении
пустых или близких к этому состоянию танков нужно убедиться
в том, что подача пара на расположенные в них змеевики подог-
рева топлива отключена. В противном случае возможен местный
перегрев поступающего топлива с генерацией легких углеводоро-
дов и созданием в танке пожароопасной атмосферы.
Температура застывания. Вязкость при изменении температу-
ры зависит от качества сырой нефти, метода получения состав-
ляющих топливо компонентов, содержания в них парафина и
смолистых веществ и др. Вязкость и текучесть топлив, как и сма-
244
зочных масел, может изменяться вследствие либо загустения, ли-
бо застывания. Явления эти различны.
При загустении повышается вязкость некристаллизующихся
углеводородов топлива. С понижением температуры вязкость
нефтепродукта увеличивается тем сильнее, чем выше темпера-
турный коэффициент вязкости основной части углеводородов,
входящих в состав топлива. В частности, вязкость крекинг-топ-
лив при понижении температуры увеличивается сильнее, чем па-
рафинистых топлив.
Застывание топлива является результатом кристаллизации со-
держащихся в нем высокоплавких, главным образом парафино-
вых, углеводородов. Они создают кристаллический каркас (струк-
туру), прекращающий или затрудняющий перемещение жидкой
фазы. Застывание топлива представляет большую опасность, чем
загустение, поэтому в спецификациях на топлива обычно задается
температура застывания, при которой топливо перестает течь, те-
ряет подвижность вследствие кристаллизации парафиновых соеди-
нений. Температура застывания отечественных топлив лежит в
пределах от —5 до +10°С, отдельных тяжелых топлив с высоким
содержанием парафинов может достигать +30°С. Для предотвра-
щения застывания топливо следует подогревать в танках запаса и
на всем пути следования к двигателю или котлу по крайней мере
на 10°С выше температуры застывания.
Содержание серы. В судовых топливах содержание серы неук-
лонно повышается и в среднем достигает 3%, международной спе-
цификацией на топлива допускается поставка топлив с S = 5%. В
то же время отмечающийся в последние годы рост внимания к
экологическим проблемам обусловил введение ограничений на со-
держание серы в судовых топливах. Обсуждаются меры по сокра-
щению к 2000 г. уровня содержания серы в судовых топливах до
1,5%. Однако это будет сопряжено со значительным увеличением
стоимости топлив, так как такая очистка 1 т топлива приведет к
повышению его стоимости на 45—84 ам. дол. В нефтяную про-
мышленность всего мира потребуется инвестировать ориентиро-
вочно 20 млрд. ам. дол. Учитывая, что доля выпускных газов дизе-
лей морских судов составляет всего 2%, подвергается сомнению
целесообразность столь дорогого мероприятия, и Международной
Морской организацией рекомендуется ввести региональные огра-
ничения на содержание серы в топливах. Такие ограничения уже
введены в прибрежных водах и портах Балтийского моря, в портах
США и некоторых других странах.
Появление на рынке сернистых топлив связано с истощени-
ем запасов малосернистых нефтей и более глубокой переработ-
кой нефти, в результате которой в остаточных фракциях, идущих
на приготовление топлив, концентрируются сера и ее высокомо-
245
лекулярные органические соединения тем в больших количест-
вах, чем глубже процесс нефтепереработки и чем меньше оста-
ток. В топливах содержатся элементарная сера, сероводород, вы-
сокомолекулярные органические соединения серы, а также низ-
комолекулярные соединения — меркаптаны, сульфиды и дисуль-
фиды. Особенно агрессивны в жидкой фазе меркаптаны, вызы-
вающие коррозию топливной аппаратуры, трубопроводов и ем-
костей. Интенсивность коррозионных процессов усиливается
при попадании в топливо морской воды. Малая молекулярная
масса и низкая температура кипения меркаптанов обусловливают
их преимущественное присутствие в дистиллятных фракциях и
малое содержание в тяжелых топливах. Этим объясняется мень-
шая коррозия топливной аппаратуры при работе дизелей на тя-
желых топливах по сравнению с работой на дизельном топливе.
Основу серосодержащих продуктов в тяжелых топливах составля-
ет элементарная сера, которая при сгорании в цилиндрах приносит
наибольший вред двигателю. При горении топлива сера окисляется
до сернистого ангидрида SO2, часть которого в ходе дальнейшего
окисления переходит в SO3. Водяные пары, находящиеся в продук-
тах сгорания топлива, насыщаются серным ангидридом; последний,
попадая на стенки цилиндра и охлаждаясь, может конденсировать-
ся на них. Температура конденсации зависит от количества серы в
топливе и давления в цилиндре. С увеличением последних повыша-
ется температура точки росы, а это значит, что с ростом серосодер-
жания в топливе и степени форсировки двигателя по наддуву необ-
ходимо увеличивать температуру рабочих поверхностей ЦПГ. Это
достигается повышением температуры в системе охлаждения до
95qC, а с переходом двигателя на малые нагрузки охлаждение надду-
вочного воздуха переключается на его подогрев.
Сера и ее соединения являются крайне нежелательными компо-
нентами топлив, их отрицательное действие сводится к следующему:
присутствие SO3 в продуктах сгорания даже в небольших ко-
личествах повышает температуру точки росы находящихся в них
кислот, увеличивая риск коррозионного износа;
подобным образом поднимается точка росы кислот в выпуск-
ной системе, в утилизационном котле и выпускной трубе, уве-
личивая риск низкотемпературной коррозии; особую важность
это приобретает в паровых котлах с развитыми хвостовыми по-
верхностями, так как именно эти поверхности* в первую очередь
подвергаются кислотной коррозии; чтобы этого избежать прихо-
дится увеличивать температуру хвостовых поверхностей, а это
влечет за собой снижение КПД котла;
конденсация на стенках цилиндра SO3 и образовавшихся при
сгорании топлива паров воды приводит к образованию на них
246
слабого раствора серной кислоты H2SO4 и электрохимической
коррозии, к износу втулки цилиндра и поршневых колец; чтобы
избежать коррозии или по крайней мере удержать ее в разумных
пределах, используют высокощелочные масла;
окислы серы, реагируя с продуктами неполного сгорания топ-
лива, образуют очень твердые и одновременно липкие отложе-
ния нагара в зоне поршневых колец, на головке и тронке порш-
ня, в окнах и каналах выпускных клапанов;
окислы серы, атакуя покрывающую поверхность цилиндра за-
щитную масляную пленку, лишают его этой защиты, тем самым
способствуя коррозионному и абразивному изнашиванию;
окислы серы и несгоревшая сера включаются в отложения на
выпускных клапанах, ускоряя выход их из строя, увеличивают
риск образования отложений и коррозии сопел и лопаток турбо-
компрессоров, значительно снижая их КПД;
окислы серы, сконденсировавшиеся в серную кислоту, проры-
ваются через кольцевое уплотнение в подпоршневую полость, отку-
да через неисправный сальник штока поршня могут попасть в цир-
куляционное масло, а с ним — в подшипники, вызывая их корро-
зию и коррозию цапф; в тронковых двигателях путь проникновения
окислов серы и кислоты в картер еще проще, поэтому окисление
масла и накапливание в нем минеральных кислот, особенно в дви-
гателях с изношенной ЦП г, происходит гораздо быстрее;
некоторые органосернистые соединения ускоряют процесс
выпадания шлама в танках запаса, сера также снижает теплоту
сгорания топлива.
Содержание золы. Содержание золы представляет собой про-
центное содержание сухого остатка в выгоревшем топливе. Ко-
личество золообразующих компонентов в дистиллятных топливах
ничтожно мало, в то время как в тяжелых топливах содержание
золы может достигать 0,1—0,2%. Природа золообразующих ком-
понентов и их количество в топливах могут варьироваться в до-
вольно широких пределах в зависимости от природы нефти; не
исключается загрязнение неорганикой при транспортировании,
перекачивании и непосредственно на судне.
В число золообразующих компонентов обычно входят А1, Са,
Fe, Ni, Si, Na, V. Загрязнение топлива на судне возможно вслед-
ствие обводнения его морской водой, содержащей соли натрия,
попадания в топливо окислов железа, являющихся продуктами
коррозии танков и трубопроводов. Алюминий и натрий попа-
дают в топливо в процессе каталитического крекинга. Никель и
ванадий обычно содержатся в топливе в растворенном виде и, к
сожалению, ни сепарированием, ни какими-либо иными доступ-
ными на судне методами не могут быть удалены. Не раствори-
мые в топливе элементы, особенно водорастворимые соли на-
247
трия, могут быть в значительной мере выведены из топлива пу-
тем сепарирования в режиме пурификации (желательно с про-
мывкой водой) с последующей кларификацией.
Тяжелые золообразующие компоненты могут оказать очень
вредное воздействие на двигатель. В частности, отложение золы
на рабочей поверхности седла клапана вызывает местный про-
рыв газов с большими скоростями, перегрев седла и клапана и
быстрое его прогорание. Зола, откладывающаяся на лопатках
турбокомпрессоров, в основном соли натрия, если систематиче-
ски не промывать ГТК, вызывает снижение КПД турбины,
уменьшение подачи воздуха в двигатель, рост температуры газов
и еще больший рост скорости зольных отложений.
Содержание ванадия и натрия. Высокотемпературная коррозия
выпускных клапанов связана с содержанием в топливе соединений
натрия и ванадия. Последние при сгорании топлива в цилиндре
окисляются, создавая окислы с температурами плавления 850—
1970°С. Важно отметить, что если в золе присутствуют компози-
ции окислов натрия и ванадия, то их температура плавления
значительно ниже (535—640°С). Наименьшей температурой плав-
ления (300°С) обладает композиция из 65% сульфата натрия и 35%
пятиокиси ванадия. При расширении газов температура в цилинд-
ре резко падает и окислы из жидкого состояния переходят в твер-
дое, образуя натрий-ванадиевую золу. Большая часть золы улетает
из цилиндра с выпускными газами, но часть оседает на выпускных
клапанах. Этому способствуют высокая температура клапанов,
обычно составляющая в четырехтактных двигателях 430—530°С, и
липкие свойства золы, приобретаемые при ее нагреве о клапан и
последующем размягчении. Следствием воздействия золы на кла-
пан является высокотемпературная межкристаллитная коррозия
стеллитовой наплавки; одновременно образуются канавки, по ко-
торым происходит прорыв горячих газов, эрозионное разрушение
и перегрев, сопровождающийся термоусталостными разрушения-
ми. В итоге клапан теряет плотность посадки на седло, а внешне
его рабочая поверхность приобретает вид булыжной мостовой.
Высокотемпературная коррозия клапанов происходит тем интен-
сивнее, чем больше в топливе содержится ванадия и серы.
Существенную роль играют соли натрия, попадающие в топ-
ливо обычно при его обводнении морской водой. Сепарирование
топлива с одновременной промывкой горячей водой позволяет в
значительной мере снизить содержание натрия и тем самым
уменьшить образование натрий-ванадиевой золы с низкими тем-
пературами плавления. Другим фактором, повышающим срок
службы клапанов, является понижение их рабочей температуры
до 450—500°С, что достигается либо конструктивными меро-
приятиями, либо снижением нагрузки на двигатель. Положи-
248
тельную роль играют присадки к топливам, базовую основу ко-
торых составляют соединения магния и кальция, повышающие
температуру плавления натрий-ванадиевой золы до 700—900°С,
тем самым уменьшая отложения золы на клапанах.
Срок службы выпускных клапанов в зависимости от степени
воздействия вышеупомянутых причин обычно 2000—6000 ч.
Дистиллятные топлива не содержат ванадия и случаи прогора-
ния клапанов более редки. Когда они имеют место, то природа
их возникновения состоит в отложении на тарелке клапана солей
сульфата кальция и бария (металлы непрореагировавшей ще-
лочной присадки), образующих на ней очень твердый с ровной
поверхностью стекловидный слой. До определенного времени
этот слой играет защитную роль, пока под клапан не попадают
твердые частицы кокса, которые при ударе клапана раскалы-
вают стекловидный слой; в нем образуются трещины, переходя-
щие в бороздки. Начинаются прорыв газов, местный перегрев
тарелки клапана с последующим его прогоранием.
Отмечаемая в практике эксплуатации коррозия штоков клапа-
нов относится к разряду низкотемпературной коррозии под воздей-
ствием натрий-бисульфата и соляной кислоты. Последние обра-
зуются из хлоридов натрия, попавших в топливо с морской водой, и
серной кислоты. Эти соединения попадают вместе с продуктами
сгорания, прорывающимися в зазор между штоком и клапаном и
конденсирующимися на них при переохлаждении корпуса клапана.
Минеральные кислоты очень агрессивны по отношению к металлам
и разъедают даже хромовое покрытие штока. Меры борьбы: поддер-
живать достаточно высокие температуры охлаждающей корпус кла-
пана воды, следить за зазором в направляющей, не допуская его
увеличения сверх установленного фирмой. Одновременно нужно
помнить, что перегрев клапана чреват отложениями на штоке лаков
и других углеродистых соединений, нарушающих подвижность кла-
пана и в итоге приводящих к его зависанию.
Содержание кокса и асфальтенов. Содержание кокса задается
по значению коксового числа, определяемого в аппарате Конрад-
сона по сухому остатку (кокса) в пробе при ее нагревании до вы-
соких температур без доступа воздуха. Коксовое число дистиллят-
ных топлив обычно очень небольшое (не превышает 0,05%). Если
оно выходит за 0,1%, это свидетельствует о присутствии в топливе
остаточных фракций, поскольку последние имеют более высокое
содержание углерода. Тяжелые топлива прямогонные и с парафи-
новой основой имеют коксовое число около 5%, а полученные из
асфальтоароматических нефтей — 10%. В тяжелых крекинг-топли-
вах, в которых в остаточной фракций концентрируются углеводо-
роды с высоким отношением С/Н, коксовое число может дости-
гать 18—20%. При сжигании подобных топлив отмечается большое
249
нагарообразован ие на поршнях в зоне поршневых колец и в выпу-
скных окнах, особенно это относится к высокофорсированным
двигателям. Одновременно наблюдается дымный выпуск.
Входящие в состав остаточных топлив асфальтосмолистые ве-
щества представляют собой высокомолекулярные соединения с
большим отношением С/Н. К их числу в первую очередь отно-
сятся смолы, находящиеся в топливе в виде либо раствора, либо
коллоидной системы. Во время окисления при высоких темпера-
турах большая часть смол сгорает, а наиболее тяжелые перехо-
дят в полутвердые или твердые высокомолекулярные соедине-
ния — асфальтены. В топливе асфальтены содержатся в виде
коллоидного раствора. Они относятся к наиболее высокомолеку-
лярным соединениям нефти; их плотность 1160 кг/м3, молеку-
лярная масса 2000, температура плавления 200°С. В процессе
сгорания асфальтены переходят в еще более высокомолекуляр-
ные насыщенные углеродом твердые вещества — карбены и кар-
боиды, составляющие основу кокса и нагаров.
Содержание асфальтенов в прямогонных остаточных парафи-
новых топливах относительно невелико (3—6%), в топливах из
асфальтоароматических нефтей — около 10%, в крекинг-топли-
вах может доходить до 12%. Асфальтены являются нежелатель-
ной составляющей топлива прежде всего благодаря их отрица-
тельному влиянию на процесс сгорания. Они увеличивают пери-
од задержки самовоспламенения, сгорают очень медленно и час-
то не полностью, возрастает тенденция к дымлению, отложению
нагара на головке поршня и в зоне колец. Они увеличивают дли-
ну факела пламени и продолжительность самого процесса сгора-
ния, тем самым увеличивая вероятность касания пламенем дни-
ща поршня у стенок цилиндра, выгорания на них защитного
слоя масла. Обладая липкостью, асфальтены цементируют несго-
ревший углерод и твердую золу, являясь фундаментом обра-
зующихся нагаров. С присутствием в топливах асфальтенов и
смол связываются такие явления, как шламо- и осадкообразова-
ние в танках, нестабильность и несовместимость топлив.
Содержание механических примесей. Механические примеси в
топливах состоят из частиц органического (карбены и карбоиды) и
неорганического (в составе золы) происхождения. Как те, так и
другие вызывают абразивный износ деталей топливной аппарату-
ры и ЦПГ, поэтому механические примеси в дизельных топливах
не допускаются, а в тяжелых топливах не должны превышать 0,1—
0,2%, однако в действительности в бункерном топливе они могут
быть в большем количестве. Важно ограничивать не только содер-
жание механических примесей, но и размер их частиц таким обра-
зом, чтобы он по возможности не выходил за пределы кольцевого
зазора в прецизионных элементах топливных насосов и форсунок
250
(4—7 мкм). Это обстоятельство следует учитывать при очистке то-
плив в судовых системах топливоподготовки.
Содержание алюмосиликатов. Появление этого качественного
показателя в новых технических требованиях на топлива было вы-
звано поставкой на рынок топлив, полученных методом катали-
тического крекинга. В этом процессе в качестве катализаторов ис-
пользуют соединения алюминия и кремния A12O3 и SiO, попа-
дающие в небольших количествах в крекинг-остатки при изготов-
лении тяжелых топлив. Присутствие катализаторной мелочи в топ-
ливах в малых количествах не представляет серьезной опасности
для двигателей. Однако технология процесса каталитического кре-
кинга такова, что не исключена возможность прорыва катализато-
ра в остаточный продукт, применяемый при изготовлении тяже-
лых топлив. К сожалению, подобные случаи происходят, и на суда
поступают топлива с высоким содержанием алюмосиликатов.
Размер гранул катализатора 40—100 (160) мкм, но в топливо
попадает катализаторная мелочь, основная масса которой состо-
ит из частиц размером 10 мкм и менее. Благодаря пористому ха-
рактеру (удельная поверхность 250—400 м2/г) плотность частиц
невелика и соразмерима с плотностью топлива, что затрудняет
их удаление из топлива путем отстаивания или центробежной се-
парации. Катализаторная пыль обладает абразивными свойства-
ми, поэтому ее попадание с топливом в двигатель вызывает ката-
строфический износ топливной аппаратуры, цилиндров, порш-
ней и поршневых колец. Скорость изнашивания увеличивается
в 100 раз и более. Избежать столь опасных для двигателя явле-
ний можно лишь путем исключения использования топлив с вы-
соким содержанием катализаторной пыли. Это потребовало кон-
троля за ее присутствием в топливах. В качестве индикатора ис-
пользуют содержание в топливе алюминия и кремния, которое
не должно превышать 80 млн~1 (мг/кг).
Содержание воды. Для дистиллятных топлив допускаются
лишь следы воды, для топлива Marine Diesel Oil — до 0,3%. Зару-
бежные тяжелые топлива обычно содержат около 0,5% воды, ме-
ждународные стандарты допускают воду в количестве 1%, а
отечественные — до 2%. Вода обычно попадает в топливо в про-
цессах транспортирования и бункеровки. К сожалению, нередки
случаи, когда бункеровщики, будучи заинтересованными в неле-
гальных доходах, подмешивают воду в бункеруемое топливо.
Поэтому важно отбирать пробу топлива в течение всей бункеров-
ки и проверять ее на содержание воды сразу же по окончании
бункеровки. На судне вода в топливо может попадать в значи-
тельных количествах при приеме топлива в таИки, которые ранее
использовались для балласта, чего следует всячески избегать.
Потенциальными источниками воды являются также проте-
251
кающие змеевики парового подогрева топлива и конденсат, об-
разующийся в цистернах при их ’дыхании” в условиях больших
колебаний температуры.
Вода является крайне нежелательным компонентом топлива,
так как глобулы воды коагулируют вокруг себя асфальтосмоли-
стые соединения топлива, способствуя их выпаданию в шлам.
Наличие воды вызывает коррозию прецизионных пар топлив-
ных насосов и форсунок, ухудшает распиливание топлива, пони-
жает теплоту его сгорания. Вода относительно легко отделяется
от дистиллятных топлив и уходит в отстой. Процесс очистки тя-
желых топлив от воды протекает значительно сложнее как в силу
меньшей разности их плотностей и большой вязкости, так и
вследствие того, что часто тяжелые топлива образуют с водой
стойкие эмульсии. Для ускорения и улучшения отстаивания ре-
комендуется в отстойных цистернах поддерживать температуру
60—70 °C, а сепарирование осуществлять в режиме пурифика-
ции при возможно меньшей подаче. Для разрушения эмульсии
могут быть рекомендованы присадки к топливу. В случае если
эмульсия очень стойкая и доступными мерами ее разрушить не
удается, можно рекомендовать прогнать топливо насосами 2—3
раза по замкнутому контуру с тем, чтобы обеспечить более рав-
номерный состав эмульсии с малыми размерами глобул воды, и
использовать ее в качестве топлива для двигателя.
Теплота сгорания. Количество теплоты, которая выделяется
при полном сгорании 1 кг или 1 м3 топлива, называется тепло-
той сгорания. В международной системе единиц за единицу ко-
личества теплоты принят джоуль (Дж), поэтому теплота сгорания
выражается в единицах Дж/кг или кДж/кг. Ранее было принято
теплоту сгорания выражать в килокалориях на килограмм (ккал/
кг). Напомним, что 1 ккал = 4,187 кДж.
Различают высшую и низшую теплоту сгорания. При определе-
нии низшей теплоты сгорания QH, как известно, не учитывается те-
плота, возвращаемая при конденсации влаги топлива и влаги, по-
лученной при сжигании водорода топлива. Этим объясняется то,
что в практических расчетах используется низшая теплота сгорания.
Удобной для практических целей является эмпирическая фор-
мула
2Н = (46,7 - 8,8 • 10-6р 15 + 3,17 • 1О-Зр15)[ 1 - (х + у + S)] + 9,42S - 2,45х,
(6.2)
где р|5 — плотность топлива при 15°С, кг/м3; х, у, S — массовые содер-
жания воды, золы и серы, %/100.
252
Рис. 6.4. Теплота сгорания топлив:
7 — жидкий водород; 2 — аммоний; 5 —• метанол; 4 — гидразин; 5 — газойль; 6 — дизельное
топливо; 7 ~ тяжелое топливо; 8 — массовая суспензия уголь/нефтяное топливо
Величина QH может быть установлена также по номограмме.
Теплота сгорания нефтяных топлив, как правило, лежит в преде-
лах 39200—43300 кДж/кг (рис. 6.4) и увеличением плотности, со-
держания воды, серы и золы уменьшается. Наибольшим значени-
ем 0Н обладают парафиновые углеводороды, а наименьшим —
ароматические, поэтому парафинистые топлива характеризуются
высокими значениями QH, а топлива с высокой плотностью и
большим содержанием ароматики имеют низкие ее значения.
Теплота сгорания топлива является важным фактором и ее
нужно учитывать при заказе топлива [для определения QH ис-
пользуют формулу (6.2)], так как, оплачивая стоимость топлива,
оплачивают не принятую на борт массу, а количество тепловой
энергии, которую при сжигании этого топлива можно получить.
Часто бывает так, что, выгадывая в стоимости топлива и пренеб-
регая при этом значением QH, теряют на получаемой от него
энергии.
253
Пример. Тяжелое топливо при р15 — 900 кг/м3 имеет 0^ = 44 350 кДж/кг,
а при Р15 = 980 кг/м3 и всех прочих равных показателях 0^ = 42680 кДж/кг.
Если принять стоимость топлив одинаковой и равной 84 ам. дол/т, то
при покупке менее калорийного топлива потеря на каждой тонне соста-
вит 3,3 ам. дол. Выигрыш может быть получен, только если разница в
ценах превысит названное значение.
Способность к самовоспламенению. Способность топлива к са-
мовоспламенению является важнейшим показателем, опреде-
ляющим развитие процесса подготовки топлива к сгоранию и
оказывающим определенное влияние на последующее сгорание,
а значит, и на экономйчность двигателя, уровень тепловых и ме-
ханических напряжений в деталях ЦПГ.
Процессы образования горючей смеси (распад струи топлива
на капли, образование факела, его проникновение в глубь заряда
воздуха, подогрев капель, их испарение и смешивание паров с
воздухом), а также процессы химической подготовки смеси к
воспламенению, обусловленные протеканием предпламенных ре-
акций при слабом повышении давления и образовании холодно-
го пламени, занимают определенное время. Этот промежуток вре-
мени от момента начала подачи НП топлива в цилиндр до момен-
та начала быстрого повышения давления в цилиндре (рис. 6.5)
принято называть периодом задержки самовоспламенения, или пе-
риодом индукции ф3 (НВС — начало видимого сгорания).
Период задержки самовоспламенения зависит от температу-
ры и давления среды, в которую впрыскивается топливо (смесь
сжатого воздуха и продуктов сгорания), относительной скорости
перемещения в камере сгорания частиц топлива и воздуха, раз-
мера частиц распыливаемого топлива, концентрации кислорода в
сжатом воздухе, испаряемости и химического группового соста-
ва топлива. Последние два фактора определяют связь между
качеством топлива и величиной ф3. Ухудшение испаряемости то-
плива, обусловленное утяжелением входящих в него фракций,
требует увеличения времени на прогрев и испарение топлива,
что, естественно, увеличивает продолжительность периода за-
держки самовоспламенения.
Химический групповой состав топлива определяется соотно-
шением между входящими в него углеводородными соединения-
ми типа парафинов (СЛН2// + 2), нафтенов (СлН2л) и ароматиков
(СЛН2„ _ 6). Топливо, в котором преобладают парафиновые со-
единения, имеет наименьший период задержки воспламенения.
Ароматические соединения, обладающие наиболее прочными
связями между атомами углерода, наиболее стойки к окисле-
нию, поэтому топлива с высоким содержанием асфальтосмоли-
254
100 200 300№0500 700 У50,ммЧс
Рис. 6.6. Определение показателя самовос-
пламеняемости топлив (CCAI) и зоны его
рекомендованных значений:
7 — воспламеняемость неудовлетворительная,
7/ — удовлетворительная, 777 — хорошая
вмт
Рис. 6.5. Развитие процессов воспламе-
нения и сгорания при хорошей (7) и
плохой (2) воспламеняемости топлив
стых соединений, основу которых составляют ароматики, имеют
наибольшие значения (р3. Нафтеновые углеводороды по склонно-
сти к самовоспламенению занимают промежуточное положение.
Установлено, что продолжительность периода задержки само-
воспламенения при прочих равных условиях является прямой
функцией цетанового числа топлива. Чем больше ЦЧ, тем мень-
ше времени требуется на подготовительные химические реакции
окисления, тем короче период задержки самовоспламенения. Та-
ким образом, ЦЧ является характеристикой способности топлива
к самовоспламенению, определяющей при прочих равных усло-
виях продолжительность периода индукции.
У дизельных топлив ЦЧ = 45 -г 55 ед., тяжелые остаточные
топлива, как -правило, характеризуются меньшими значениями
(30—35 ед.), поэтому требуют большего времени для подготовки
к сгоранию. Цетановое число и заменяющий его дизельный ин-
декс могут быть определены лишь для дистиллятных и с извест-
ной погрешностью для маловязких тяжелых топлив, поэтому в
паспортах на тяжелые топлива эти показатели отсутствовали.
Воспламеняемость тяжелых топлив, относящихся к классиче-
ским мазутам, находилась на уровне, достаточном для надежного
самовоспламенения в цилиндрах мало- и среднеоборотных дизе-
255
леи, поэтому отсутствие сравнительно простого метода оценки
их самовоспламеняемости не создавало критических ситуаций.
Проблема самовоспламеняемости топлива возникла с появле-
нием на рынке крекинг-топлив из асфальтосмолистых нефтей и
тогда же появилась необходимость поиска метода ее оценки.
Ранее отмечалось, что самовоспламеняемость является функ-
цией химического группового состава топлива. Так, увеличение
содержания в топливе парафиновых углеводородов и сокращение
ароматических приводит к улучшению его способности к самовос-
пламенению и, наоборот, рост в топливе ароматической состав-
ляющей обусловливает ухудшение его способности к самовоспламе-
нению. Учитывая изложенное, а также основываясь на наличии
прямых связей между содержанием ароматических углеводородов
в топливе и его плотностью, содержанием парафиновых углево-
дородов и вязкостью, фирма "Шелл" предложила оценивать вос-
пламеняемость топлив на основе расчетного критерия
CCAI = pjj - 14O,71glg(u5o + 0,85) - 80,6. (6.3)
Этот критерий, получивший наименование расчетного угле-
родно-ароматического индекса (CCAI — Calculated Carbon Aroma-
ticity Index), как показали исследования фирмы, хорошо корре-
лируется с показателями самовоспламеняемости топлив, где
15 з 7
ПЛОТНОСТЬ топлива р15, кг/м , И ВЯЗКОСТЬ 1)50, ММ /с (сСт), при
50°С могут быть взяты из паспорта на топливо.
Численные значения пределов CCAI, приведенные на рис.
6.6, не следует принимать за абсолютные, так как воспламеняе-
мость топлив определяется не только их свойствами, но и конст-
руктивными особенностями двигателя, режимом его работы, тех-
ническим состоянием и пр.
Знание ЦЧ или CCAI топлива необходимо для того, чтобы ап-
риори можно было с известной степенью приближения оценить
ожидаемое при смене топлива изменение экономичности работы
двигателя, изменение уровней его тепловой и механической на-
пряженности. Более точная оценка этих показателей возможна
лишь на основе анализа изменения следующих параметров ра-
бочего процесса (см. рис. 6.5): периода задержки самовоспламене-
ния ф3, скорости нарастания давления при сгорании Д/?/Асрср, мак-
симального давления сгорания pv давления на линии расширения
рехр, ориентации точки z относительно ВМТ срг, среднего индика-
торного давления ph температуры выпускных газов tr.
Перечисленные параметры могут быть получены с высокой
точностью с помощью современной электронной измерительной
256
аппаратуры НК-100, используемой в судовых диагностических
комплексах.
Стабильность и совместимость топлив. Под стабильностью то-
плива понимают его способность противостоять образованию
осадков, шламоотделению и расслаиванию при хранении и ис-
пользовании (что сопряжено с его перекачиванием и нагревом).
Склонность к осадкообразованию главным образом проявляют
тяжелые остаточные топлива, крекинг-мазуты. Содержащиеся в
них асфальтены, карбены и карбоиды выполняют функцию
центров коагуляции высокомолекулярных соединений. Асфаль-
тосмолистые вещества забивают фильтры, сепараторы, нарушают
работу всей системы топливоподачи. Иногда центрами коагуля
ции могут стать кристаллы твердого парафина выпадающего из
парафинистого топлива при его охлаждении. Нарушению ста-
бильности, росту скорости осадкообразования способствуют на-
грев, обводнение топлива (коагуляция происходит вокруг глобул
воды) или смешивание с другими сортами, если они оказывают-
ся несовместимыми по отношению к данному топливу.
Смешиваемые топлива чаще являются совместимыми, В этом
случае стабильность смеси топлив не нарушается и интенсивного
осадкообразования не происходит. Чтобы понять сущность несо-
вместимости, напомним, что нефтяные топлива представляют со-
бой сложную органическую смесь, главным образом состоящую из
парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов.
Топлива, содержащие только перечисленные углеводороды (а
это в основном дистиллятные нефтепродукты), образуют стабиль-
ные смеси, близкие по растворимости к идеальным. Тяжелые топ-
лива, получаемые смешиванием остаточных продуктов с дистиллят-
ными фракциями, помимо перечисленных групп углеводородов,
содержат значительные количества высокомолекулярных соедине-
ний — асфальтеносмолистых веществ, состоящих из нейтральных
смол, асфальтенов, карбенов и карбоидов. Эти вещества не раство-
ряются в основной массе более легких углеводородов, поэтому оста-
точные топлива в отличие от дистиллятных не являются однород-
ными, а представляют собой коллоидную систему, состоящую из
однородной среды углеводородов с относительно небольшим отно-
шением С/Н, в которой диспергированы крупные и мелкие скопле-
ния асфальтосмолистых соединений (рис. 6.7).
Центрами скоплений (мицелл) являются асфальтены — слож-
ные соединения, обладающие высокой молекулярной массой,
большим отношением С/Н составляющих их углеводородов. В
них могут входить также в небольших количествах сера, кисло-
род, азот. Молекулы асфальтенов благодаря своей полярности
образуют ассоциаты — ядра мицелл, состоящие из 3—5 молекул
и окруженные оболочками из растворенных в топливе смол, ха-
9 Зак. 1596
257
Рис. 6.7. Структура тяжелого оста-
точного топлива:
1 — ядро; 2 — оболочки;
3 — наружный слой
рактеризующихся меньшим отношением С/Н. Наружный слой
представляют ароматические углеводороды, обладающие поверх-
ностной активностью, поэтому легко адсорбирующиеся на ми-
целлах; их отношение С/Н близко к отношению однородной фа-
зы. Образующиеся вокруг асфальтенов сольватные оболочки
предотвращают слипание и объединение мицелл и выпадание их
в осадок. Более того, благодаря полярным силам ароматики спо-
собствуют появлению расклинивающего эффекта, отбрасы-
вающего мицеллы друг от друга и тем самым удерживающего
коллоидную систему в мелкодисперсном состоянии. Смешива-
ние с высокоароматизированными топливами не нарушает ста-
бильности смеси, более того, отмечаемое увеличение толщины
сольватных оболочек делает смесь устойчивее к шламообразова-
нию. Подобная смесь топлив является совместимой.
Когда же остаточное топливо смешивается с топливом, содер-
жащим парафиновые соединения с малой молекулярной массой
(низким отношением С/Н), которые играют роль растворителя,
защитные кольца растворяются, происходят объединение и ук-
рупнение асфальтеновых ассоциатов, и они выпадают в осадок,
представляющий собой мазеподобное вещество черного или ко-
ричневого цвета. В этом случае принято говорить, что смешивае-
мые топлива несовместимы. Отмеченное падение стабильности
смеси происходит вследствие уменьшения отношения С/Н окру-
жающей мицеллы однородной фазы, результатом чего является
нарушение равновесного состояния между наружной оболочкой
мицелл и окружающей их фазой. Явление несовместимости мо-
жет быть предотвращено, если при смешивании уменьшить долю
маловязкого парафинистого компонента.
Нарушение равновесия смеси может быть также вызвано на-
гревом, способствующим растворению смол. Отрицательно влия-
ет на стабильность увеличение количества асфальтенов, особен-
но интенсивное при нагреве топлива до 300—350 °C (например, в
258
электроподогревателях при контакте топлива с греющими эле-
ментами температура последних не должна превышать 180°С).
Общее правило', в целях исключения отрицательных явлений не-
совместимости топлив при их смешивании на борту судна реко-
мендуется не допускать смешивания остаточных топлив (с высо-
ким содержанием асфальтенов) с более легкими парафиносодер-
жащими сортами, а также между собой, если они имеют раз-
личное происхождение (относятся к различным бункеровкам). Пе-
ред смешиванием желательна проверка топлив на совместимость.
Однако в практике эксплуатации СЭУ иногда приходится
прибегать к смешиванию топлив, поэтому желательно предвари-
тельно проверить находящиеся на судне топлива на совмести-
мость.
Метод "пятна" — наиболее простой и доступный для исполь-
зования на судах заключается в том, что равные количества сме-
шиваемых компонентов (обычно это дистиллятное и остаточное
топлива) наливают в сосуд и интенсивно встряхивают в течение
10 с для получения однородной смеси. Затем сосуд со смесью
нагревают в водяной бане до температуры 60—63°С и выдержи-
вают 15—20 мин. По окончании нагрева смесь еще раз переме-
шивают пластмассовой палочкой и ею же наносят пятно на спе-
циальную фильтровальную бумагу. После высыхания пятно срав-
нивают с пятью эталонными пятнами (рис. 6.8). Эталонное пят-
но а по всей поверхности имеет однородную окраску, пятно б —
слабоокрашенное внутреннее темное кольцо. Пятна в—д характе-
ризуются более прогрессивным разделением двух компонентов:
темное внутреннее кольцо и светлое внешнее; наличие темного
кольца указывает на присутствие нерастворимых асфальтенов и
осадка. Пятно а свидетельствует о полной совместимости сме-
шиваемых топлив, пятно в — о возможном появлении осложне-
ний, связанных с несовместимостью; пятно б находится в преде-
лах допустимого.
Более точные результаты дает проверка на общее содержание
осадка, но реализуется он только в лаборатории и заключается в
горячей фильтрации топлива. Предварительно проба топлива
подвергается старению путем выдерживания ее в течение 24 ч
Рис. 6.8. Эталонные пятна смесей топлив для определения их совместимости
259
при температуре 100°С, в ходе которого из топлива интенсивно
выпадают в осадок находившиеся в нем асфальтены. После про-
пускания топлива через фильтр все не растворимые в нем ком-
поненты задерживаются фильтром, затем их взвешивают. Резуль-
тат выражается в процентах: в дистиллятных топливах осадок
должен отсутствовать, а в остальных топливах — не превышать
0,1%, в дизельных топливах допускается 0,05%. Топливо,
имеющее осадок более 0,1%, не рекомендуется к смешиванию.
В табл. 6.2 приведены основные проблемы, возникающие
при использовании тяжелых топлив, и пути их преодоления.
6.3. ВИДЫ И СТОИМОСТЬ ТОПЛИВ, ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
Общие сведения. Применяемые на судах топлива в зависимо-
сти от метода их получения подразделяют на два класса:
дистиллятные топлива состоят из легких фракций, получае-
мых дистилляцией в прямогонных или крекинг-установках, и ха-
рактеризуются малой вязкостью (ц — 2,5 -г- 14 мм2/с);
тяжелые топлива условно подразделяют на две группы — про-
межуточные топлива (Intermediate -Fuel) — диапазон вязкости
30—180 мм2/с и тяжелые остаточные топлива—мазуты (Heavy
Fuel Oil) — диапазон вязкости 180—500 (700) мм2/с.
В России качество топлив регламентируется государственными
стандартами или техническими условиями (табл. 6.3). За рубежом
качественные показатели топлив различных марок регламенти-
руются стандартом Международного института стандартизации
(ISO) — ISO 8217, 1996 и Британским Институтом стандартизации
(BSI) — BS МА 100, 1982. В дополнение к ним Международным
советом по ДВС — SIMAC в 1990 г. были выпущены Рекоменда-
ции по топливам для судовых и стационарных дизелей (табл. 6.4),
отличающиеся от ISO некоторым ужесточением требований по ря-
ду показателей и наличием дополнительных характеристик.
При заказе топлива прежде всего нужно исходить из требова-
ний к нему дизелестроительной фирмы, возможностей и состоя-
ния системы топливоподготовки на судне (наличие подогрева в
танках и по всей топливной системе, мощности подогревателя
топлива перед дизелем, типа и производительности сепараторов
и пр.). Выявленные требования к топливу согласуются с показа-
телями соответствующего вида топлива SIMAC, последние и за-
даются поставщику.
Дистиллятные топлива. В силу ограниченности ресурсов и высо-
кой стоимости дистиллятов (в России цены дизельных топлив, от-
носящихся к классу дистиллятов, ориентировочно в 2 раза превы-
шают стоимость тяжелых топлив, а за рубежом — в 1,5—1,7 раза)
260
дизельные топлива используют лишь в тех случаях, когда дизели или
система топливообработки не приспособлены для работы на тяжелых
топливах. В главных дизелях, работающих на тяжелых топливах, ди-
зельные топлива иногда применяют на режимах маневрирования и
для промывки системы топливоподачи перед длительной остановкой
во избежание застывания в ней топлива. В общем балансе потребле-
ния топлива на судах расход дизельного топлива составляет 6—12%.
Его в основном используют во вспомогательных средне- и высоко-
оборотных дизелях, которые либо по своей конструкции, либо из-за
неприспособленности системы топливоподготовки (отсутствие подог-
рева) не могут быть переведены на более тяжелые сорта топлива.
Отечественная промышленность выпускает дизельные топлива пу-
тем смешивания фракций прямой перегонки сернистых нефтей, про-
шедших гидроочистку и депарафинизацию, с каталитическим газой-
лем. Присутствие последнего снижает эксплуатационные свойства то-
плива, в частности, усиливается его склонность к отложениям. Топ-
лива выпускают четырех марок: Л, 3, ЗС, А, которые по содержанию
серы делят на две подгруппы: S < 0,2%, S = 0,21 -г 0,5%; содержание
меркаптановой серы в сере обеих подгрупп ограничивается 0,01 %.
В качестве заменителя дизельного топлива на судах морского и
речного флота используют газотурбинное топливо, получаемое в каче-
стве побочного продукта в процессах замедленного коксования при
выработке нефтяного кокса. Газотурбинные топлива ТГ и ТГВК от-
личаются высокой плотностью и вязкостью, но не настолько высо-
кой, чтобы их нужно было подогревать перед использованием. Для
этих топлив характерно более высокое содержание серы (1 и 2,5% со-
ответственно) и, на что должно быть обращено особое внимание, в
них содержится до 25% смолистых веществ. Это обусловливает их
низкую стабильность, проявляющуюся при нагревании и смеши-
вании с другими топливами.
Начиная с 1988 г., нефтяная промышленность начала поставлять
на флот судовое маловязкое топливо, предназначенное для замены ди-
зельного и газотурбинного топлив. Это топливо вырабатывают путем
смешивания дистиллятов вторичных процессов (коксования, тер-
мического и каталитического крекинга) с дизельными фракциями с
повышенным концом кипения, взятыми из атмосферной и вакуум-
ной колонн. По сравнению с дизельным топливом к нему предъяв-
ляют менее жесткие требования (допускается вдвое ббльшая
вязкость — 11 мм2/с, содержание серы до 1,5%, более низкое ЦЧ —
не менее 40).
В 1986 г. отечественная промышленность приступила к выпуску
дизельного топлива утяжеленного фракционного состава (УФС). Топ-
ливо отличается более высокой вязкостью (3—6 мм2/с) и температу-
рой застывания — мутнеет при +5°С и теряет подвижность при
0°С (см. табл. 6.3).
261
262
Таблица 6.2
Признак низкого качес-
тва топлива
Последствия влияния
Способ устранения
Плотность более 990
кг/м3
Сепарирование воды от топлива близко
к критическому, в результате — усиленное
изнашивание ЦПГ, топливной аппара-
туры, появление в ней задиров; увеличе-
ние вероятности проявления нестабиль-
Новые методы сепарирования с добавле-
нием MgSO4, обязательное использование
кларификатора; гомогенизирование топлива
для диспергирования воды
ности
Вязкость более 10—
150 мм2/с
При низких температурах — ухудшение
распыливания, приводящее к затягиванию
сгорания и росту тепловых нагрузок на де-
тали ЦПГ; рост давлений и механических
напряжений в ТНВД, форсунках и топли-
вопроводах, их повреждение; забивание
фильтров
Подогрев топлива, при котором его вяз-
кость должна быть при перекачивании < 750
мм2/с, перед двигателем 10—15 мм2/с
Содержание, (более):
серы — 3,5 %
Низкотемпературная коррозия цилин-
дров, колец и канавок поршней, штоков
клапанов; интенсивное окисление масла в
картере и коррозия вкладышей подшипни-
ков
Подбор масел с необходимым ОЩЧ, под-
держание температур поверхностей ЦПГ вы-
ше точки росы
кокса — 15 %
Интенсивное нагарообразование в ЦПГ
(абразивный износ), ухудшение продувки
и наполнения цилиндров ввиду закоксовы-
вания окон и загрязнения выпускного
тракта и ГТН, дымный выпуск, заедание
штоков выпускных клапанов
Улучшение очистки топлива, использова-
ние водотопливных эмульсий, повышение
температур воздуха и воды на малых нагруз-
ках, использование присадок к топливу, про-
мывка турбин не реже одного раза в 3—4 дня;
проверка на свободу перемещения выпус-
кных клапанов
асфальтенов — 10 %
ванадия — натрия
200 млн-1
Замедленное сгорание, дымный выпуск,
шламообразование, потеря стабильности и
проявление несовместимости топлив, как
следствие — интенсивное загрязнение
фильтров, сепараторов
Высокотемпературная коррозия выпускных
клапанов, поршней, ГТН
Изменение фаз топливоподачи и давлений
впрыскивания, гомогенизирование топлива,
повышение температур наддувочного воздуха
на малых нагрузках, применение присадок к
топливам
Интенсивное охлаждение клапанов, промывка
топлива, при сепарировании для удаления
натрия, предотвращение попадания в топливо
забортной воды (1 % забортной воды несет
100 %e Na), применение присадок к топливу,
систематическая промывка компрессоров
ГТН, воздухоохладителей, поддержание тем-
пературы выпускных газов по возможности
более низкой
золы Al, Si — 80
млн-1
Интенсивное изнашивание топливной
паратуры, цилиндров, поршневых колец
ап-
Эффективная очистка топлива путем двукрат-
ного сепарирования при производительности 15—
20 % и максимально возможной температуре по-
догрева
воды — 0,5 %
Коррозионный износ плунжерных пар и
распылителей, их заклинивание и поврежде-
ние; затруднения при пуске двигателя
263
Самовоспламеняемость
топлива (низкое ЦЧ, ДИ,
высокое CCAI)
Несовместимость
Ухудшение пуска, "жесткая” работа и
повреждение подшипников
Нестабильность топливных смесей, выра-
жающаяся в шламообразовании, быстром
загрязнении фильтров, сепараторов, закоксо-
вывании распылителей, заклинивании преци-
зионных элементов ТА
При рт < 990 кг/м3 сепарация в режиме пури-
фикации, при рт > 990 кг/м3 использование гомо-
генизации и работа на водотопливной эмульсии
Увеличение температур топлива и воздуха на
малых нагрузках, использование присадок к топ-
ливам
Избежание смешивания топлив, оптимизация
состава смеси, ее диспергирование
Таблица 6.3
Марка топлива Плот- ность при 20 °C, кг/м3 Вязкость, мм2/с (сСт), при темпера- туре, °C Содержание, % Золь- ность, % Тем- пера- тура вспы- шки, °C Температура застывания, °C Коксу- емость, %
50 80 меха- ничес- ких при- месей воды серы
Мазут то- почный: 40 260 59 0,8 1,5 0,5—1 для малосернис- 0,12 90* 10 (25 для мазу-
40В 170 43,8 0,07 0,3 гого, до 2 — для сернисто- го, до 3,5 — для высоко- сернистого До 0,5 — малосернисто- 0,04 90* та из высоко- парафинистой нефти) То же
Мазут флотский: Ф-5 36,2 0,1 о,3 го, до 2 — для сернистого 2,0 0,05 80 -5 6,0
Ф-12 89 0,12 0,3 0,6 0,1 90 -8 6,0
Топливо моторное: ДТ 930 36 0,1 1,0 До 0,5 — для мало- 0,04 65 -5 3,0
дм 970 150 0,2 1,5 зернистого, до 1,5 — для зернистого 3,0 0,15 85 + 10 10
Топливо для эк- спорта (тех- нологичес- кое): Э-4,0 965 100 0,25 0,5 2,5 0,1 75 + 15
Э-5,0 965 150 1 0,25 0,5 2,5 0,1 75 + 15
Топливо
газотурбин-
ное:
ТГВК
ТГ
Топливо
дизельное:
Л
935
935
860
840
21
21
3—6 (при
20°С)
1,8-5,0
(при 20°С)
0,02 0,2
0,3 0,5
Отсутствуют
То же
1,0
2,5
0,2 (Л-0,2); 0,5 (Л-0,5)
0,2 (3-0,2); 0,5 (3-0,5)
Топливо
маловязкое
судовое
Топливо
дизельное
УФС
890
860
11,4 (при
20°С)
3—6,5 (при
20°С)
0,02 Следы
Отсутствуют
1,5
0,5
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
65
61
40
+5
+5
0,5
0,5
-10
—25 — для
умеренной кли-
матической зо-
ны, —35 — для
холодной зоны
-10
61 0
0,3
(10 %-
ного ос-
татка)
То же
0,3
3
При ме ча ния. 1. Даны предельные значения (не более).
2. Допустимое содержание воды в топливах, прошедших водные перевозки, %: для мазутов топочных 40В — 5, для мазута флотского Ф-12 — 2,
для топлив моторных ДМ и ДТ — 2.
3. Допустимое содержание серы в топливах, вырабатываемых из сернистых нефтей, %: для мазутов топочных 40 — 4,3, для топлива
моторного ДТ — 2, допускаемая коксуемость топлива ДТ — 4.
4. Температура вспышки, обозначенная звездочкой, определяется в открытом тигле, остальные значения — в закрытом.
5. Допустимая температура застывания газотурбинного топлива марок ТГ и ТГВК, вырабатываемого из высокопарафинистых нефтей,
не выше 25° С.
6. Допускается применение на судах мазутов марок 40В и 40, вырабатываемых из высокопарафинистых нефтей с температурой засты-
вания не выше 25° С.
Обозначение и харак-
теристика топлив
Дистиллятные топлива
Тяжелые остаточные
ISO 8217 1996/BS
МА 100 1989
CIMAC 1990
BS МА 100 1982
Плотность при
15°С, кг/м3
Кинематическая
вязкость, мм2/с
(сСт), при темпера-
туре, °C:
40
100
50
Температура, °C:
вспышки
застывания зи-
мой/летом
Коксовый остаток, %
Цетановое число
Общий остаток пос-
ле старения, %
Содержание, %:
воды
золы
серы
Содержание, мг/кг:
ванадия
алюминия + сили-
циума
DMX DMA DMB DMC RMA RMB RMC RMD RME
10 10 10 15 25
DX DA DB DC AIO B10 CIO D15 E25
Ml — М2 М3 —«1» M4 M4 M5 >
890,0 900,0 920,0 975,0 991,0 991,0 991,0 991,0
1,4-5,5 1,5-6 11,0 14
™ 1» —— —— —« 10 10 10 15 25
' 1— - - 40 40 40 80 180
43 60 60 60 60 60 60 60 60
-6/0 0/6 0/6 0/6 24 24 30 30
"—> 0,25 2,50 10 10 14 14 15
45 40 35 — 1 — II' 1 1
1 • “ 0,05 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1
— 0,30 0,30 0,5 0,5 0,5 0,8 1,0
0,01 0,01 0,01 0,05 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1
1,0 1,5 2,0 2,0 3,5 3,5 3,5 4,0 5,0
— 'W 100 150 150 300 350 200
-I" '1 25 80 80 80 80 80
Для температуры вспышки и цетанового числа даны минимальные
Примечание.
Зарубежными спецификациями предусматриваются четыре
сорта дистиллятных топлив (см. табл. 6.4). Топливо DX — высоко-
качественный дистиллят, благодаря низким значениям темпера-
тур застывания и вспышки предназначено исключительно для
использования в двигателях спасательных шлюпок и аварийных
дизель-генераторов. Топливо DA — высококачественный дистил-
лят, обычно именуемый Marine Gas Oil (MGO). Топливо DB —
основной сорт дистиллятного топлива, применяемого в судовых
дизелях, не оборудованных системой подогрева, в нем содержат-
ся следы остаточных фракций. В морской практике оно получи-
ло наименование Marine Diesel Oil (MDO). Топливо DC —- также
266
Таблица 6.4
топлива
RM RMG RMH RMK RML RMH RMK RML
F25 35 35 35 35 45 45 45
F25 G35 Н35 К35 Н45 К45 — 1 1
М6 М7 1 1 — мю М8 МП
991,0 991,0 991,0 ™ 1 991,0
25 35 35 35 35 45 45 45
180 380 380 380 380 500 500 500
60 60 60 60 60 60 60 60
30 30 30 30 30 30 30 30
20 18 22 22 22 22 *****
“ 1 I. *1 IIII— I ——
0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 ———
1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0
0,15 0,15 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2
5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0
500 300 600 600 600 600 600 600
80 80 80 80 80 80 -
значения, для всех остальных показателей — максимальные.
RMH
55
Н55
М9
991,0
55
700
60
30
22
0,1
1,0
0,2
5,0
600
80
RML
55
М12
55
700
60
30
1,0
0,2
5,0
600
входит в группу MDO, но содержит заметное количество оста-
точных продуктов и не рекомендуется к применению, если уста-
новка не имеет необходимых средств обработки тяжелых топлив.
Тяжелые топлива. Как отмечалось, этот класс топлив подраз-
деляется на две группы: промежуточные топлива вязкостью до
180 мм2/с, представляющие собой смеси остаточных продуктов
с дистиллятными фракциями, и тяжелые остаточные топлива
(котельные топлива или мазуты), в основном состоящие из оста-
точных продуктов прямогонных и крекинг-процессов нефтепере-
работки и имеющие вязкость более 180 мм2/с.
267
Из выпускаемых отечественной промышленностью топлив к
первой группе могут быть отнесены моторное топливо ДТ, флот-
ские мазуты Ф-5 и Ф-12, топлива ДМ и технологические Э-4 и Э-5
(см. табл. 6.3). Все они при наличии систем подогрева и очистки
могут использоваться как в средне-, так и в малооборотных дизе-
лях. Ко второй группе относятся топочные мазуты марок 40 и 40В,
представляющие собой компаундированные прямогонные высоко-
вязкие топлива. При этом мазут 40В значительно чище, поэтому
является более предпочтительным для применения в дизелях. За-
менителем топочных мазутов может служить моторное топливо
ДМ, вязкость которого не превышает 150 мм2/с, содержание серы
не более 1,5%, но зольность может достигать 0,15%.
Для тяжелых зарубежных топлив (см. табл. 6.4) характерен ши-
рокий диапазон вязкости (до 500—700 мм2/с), плотности (до 991—
1010 кг/м3) и содержания серы (до 3,5—5%). При выборе сорта то-
плива следует руководствоваться соображениями как техническо-
го, так и экономического характера. При этом если с переходом от
дизельных топлив (MDO) к классу тяжелых топлив (IFO160) вы-
игрыш в стоимости (согласно рис. 6.9) составляет около 35%, то
дальнейший переход к топливам с более высокой вязкостью дает
выигрыш всего 5—6%. В то же время последние топлива будут
иметь значительно худшие характеристики, поэтому их использо-
вание по сравнению с топливами вязкостью до 180—240 мм2/с яв-
ляется проблематичным. Этим объясняется, что судоходные ком-
пании стремятся избегать применять топлива вязкостью более 350
3 5 221 9 11 8 13 10
Объем продажи но МироЗом рынке, °/о
Рис. 6.9. Соотношение стоимости и объема продажи топлив для морских судов
268
При выборе топлива нужно иметь в виду, что качество и стои-
мость топлива находятся в прямой зависимости, и перевод дизе-
лей на более дешевое топливо не может не отразиться на ухуд-
шении его состояния и вызванном этим увеличении эксплуата-
ционных расходов. Поэтому при подсчете суммарного эконо-
мического эффекта следует исходить из разности между выигры-
шем в стоимости израсходованного за определенный промежуток
времени топлива и потерями в эксплуатационных расходах. Рост
эксплуатационных расходов при переводе дизелей на более тяже-
лые и вязкие топлива складывается в результате: увеличения
удельного расхода топлива в связи со снижением его теплоты
сгорания и возможного ухудшения качества сгорания; увеличе-
ния затрат энергии на подогрев топлива; роста потерь с отходами
сепарации и отстаивания; сокращения ресурса дизеля между мо-
точистками и обусловленного этим роста трудозатрат по его тех-
ническому обслуживанию. Также увеличиваются затраты на мас-
ла в связи с необходимостью использования более качественных
и дорогих масел, увеличивается расход масел на более частую за-
мену.
Стоимость топлив. После второй мировой войны нефть и по-
лучаемые из нее продукты были наиболее дешевыми энергоно-
сителями. Доля затрат на топливо на судах не превышала 15%
общей суммы эксплуатационных расходов. Нефтяной кризис
1973—1974 гг., совпавший по времени с Арабо-Израильским
конфликтом, вызвал резкое увеличение стоимости нефти. К
1980—1981 гг. цена на нефтепродукты на Мировом рынке вырос-
ла в 10 раз и более (так, цена дистиллятных топлив увеличилась
с 33 до 350—370 ам. дол.). С 1982 г. отмечался спад цен, переме-
жавшийся отдельными небольшими подъемами. В 1993—1994 гг.
цены более или менее стабилизировались и находятся на уровне
80—90 ам. дол./т для тяжелых топлив и 150—160 ам. дол./т для
дистиллятных. В России цены на нефтепродукты в 1994 г. вышли
на уровень цен Мирового рынка.
Учитывая большую разницу в стоимостях тяжелых и дистил-
лятных топлив, предпочтение следует отдавать первым, несмотря
на то, что они имеют значительно худшие показатели качества и
в связи с этим затраты на техническое обслуживание и ремонт
дизелей возрастают.
Практика мирового и отечественного судоходства показыва-
ет, что в малооборотных дизелях в основном используются топ-
лива вязкостью не более 300 мм2/с, в среднеоборотных дизелях,
являющихся более чувствительными к топливу, предпочтение от-
дается топливам вязкостью 120—180 мм2/с.
269
6.4. СООТВЕТСТВИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ТОПЛИВ
ТРЕБОВАНИЯМ МЕЖДУНАРОДНОГО СТАНДАРТА
Выбор и эффективное использование отечественных судовых
топлив находятся в зависимости от их эксплуатационных
свойств. Главным гарантом пригодности топлива является его
соответствие требованиям Международного стандарта. Как вид-
но из табл. 6.5, отечественные топлива удовлетворяют этим тре-
бованиям, а по многим показателям имеют более высокое каче-
ство по сравнению с зарубежными аналогами.
Судовое маловязкое топливо состоит из дистиллятов прямой и
деструктивной переработки нефти, которые компаундируются в
процентном соотношении 50/50. Топливо может быть как широ-
кого,, так и узкого фракционного состава, с заданным содержа-
нием серы и необходимой температурой застывания.
Судовое маловязкое топливо характеризуется:
высокими смазывающими свойствами, что исключает отказы в ра-
боте прецизионных узлов топливной аппаратуры (ТНВД, форсунок);
умеренной склонностью к испарению и выбросу в атмосферу
легких компонентов, что снижает его потери в процессе хране-
ния и уменьшает экологическую опасность применения;
высокой способностью к самовоспламенению и полному, без
потерь и детонаций, сгоранию в цилиндрах, что обусловливает-
ся присутствием в нем дистиллятов вторичного происхождения,
существенно снижающих температуру самовоспламенения.
Физико-химические показатели (см. табл. 6.5 и 6.6), улучшен-
ные эксплуатационные свойства обеспечивают эффективное ис-
пользование СМТ в качестве основного вида топлива в судовых
главных и вспомогательных тронковых дизелях, в газотурбинных
дизелях судов на подводных крыльях, а также в качестве вспомога-
тельного вида топлива (для режима пуска и выполнения маневров)
для судовых главных крейцкопфных и газотурбинных дизелей.
Аналогом СМТ отечественного производства является дизель-
ное топливо (летнее и зимнее).
Основные физико-химические показатели отечественных су-
довых топлив и их аналогов приведены в табл. 6.4.
Судовое высоковязкое легкое топливо приготовляют путем сме-
шивания дистиллятных топлив и остаточных продуктов как пря-
мой перегонки нефти, так и процессов глубокой ее переработки
(процессов термической, каталитической переработки и др.). Та-
ким образом, СВЛ может быть как широкого, так и узкого фрак-
ционного состава.
Эксплуатационные свойства СВЛ (см. табл. 6.3 и 6.4) обес-
печивают надежную эксплуатацию практически всех типов СЭУ
270
(главных дизелей крейцкопфного и тронкового типов, вспомога-
тельных дизелей, главных и вспомогательных котлов, газотур-
бинных установок). Наряду с этим широкое использование СВЛ
на судах достигается оснащенностью последних специальными
системами топливоподготовки (подогрев топлива в танках запа-
са и других емкостях, очистка топлив от механических примесей
и воды, обеспечение требуемой вязкости для впрыска топлива в
камеру сгорания).
Компонентный состав СВЛ позволяет при наличии в системах
топливоподготовки специальных устройств по вводу воды и при-
готовлению водотопливных эмульсий применять это топливо в ви-
де ВТЭ, а допустимое техническими условиями содержание серы и
механических примесей обеспечивает его применение при мини-
мальных износах топливной аппаратуры и деталей ЦПГ. Топливо
имеет допустимую склонность к осадкообразованию в процессе
хранения в емкостях на нефтебазах и в танках запаса на судах, хо-
рошие показатели самовоспламенения и сгорания во всех типах
энергетических установок, что обеспечивает эффективное его при-
менение при минимальных удельных расходах.
Судовое высоковязкое тяжелое топливо приготовляют путем
использования остаточных фракций переработки нефтей как ос-
новного компонента с добавкой дизельных фракций в случае от-
клонения каких-либо показателей от допустимых техническими
условиями нормативов (см. табл. 6.3 и 6.4).
Эффективное использование СВТ, как и в случае применения
СВЛ, требует оснащения судов соответствующими системами то-
пливоподготовки.
В дизелях СВТ используют в главных дизелях крейцкопфного
и тронкового типов, главных и вспомогательных котлах только
на режиме длительной работы. Режимы пуска и реверсирования
осуществляются с применением СМТ, за исключением исполь-
зования СВТ на паротурбинных судах, где не требуется примене-
ние СМТ.
На судах, оснащенных системами по приготовлению водотоп-
ливной эмульсии, процесс сгорания СВТ в установках практиче-
ски происходит при минимальных удельных расходах.
Судовое высоковязкое сверхтяжелое топливо на судах не приме-
няют в связи с высоким содержанием в нем серы (до 5%) и высокой
температурой застывания (+25 °C). Затруднено применение СВС
также по причине его высокой плотности (1015 кг/м3), что требует
наличия на судне сложных очистительных средств в системе топ-
ливоподготовки (см. табл. 6.3 и 6.4). Все это в равной мере отно-
сится и к аналогу СВС — топочному мазуту 100. К тому же в ма-
зуте содержание механических примесей в 2,5 раза больше, чем в
СВС, а коксуемость вообще не нормируется. В то же время то-
271
Таблица 6.5
Показатель СМТ ISO/DIS 8217 для топлив-аналогов свл ISO/DIS 8217 для топлив-аналогов СВТ
дмх ДМА дмв ДМ RMA10 RMB10 RMC10
Вязкость, мм2/с (не более) 11,4 9,2 10,2 21,5 29,0 40 40 40 40 30
Плотность, кг/дм3 (не более) Содержание, % (не более): 0,89 0,89 0,9 0,929 0,95 0,97 0,991 0,991 0,995
механических примесей 0,02 —» 0,07 0,1 — - 0,3
воды (по объему) Следы - 0,3 0,3 0,5 (по массе) 0,5 0,5 0,5 1,0 (по массе)
серы (по массе) 1,5 1,0 1,5 2,0 2,0 2,5 3,5 3,5 3,5 3,5
Содержание ванадия, мг/кг (не бо- лее) 1 1 * , I- - 100 0,015 (% по массе) 150 300 0,03 (% по массе)
Зольность, % по массе (не более) Коксуемость, % (не более): 0,01 0,01 0,01 0,01 0,05 0,05 0,1 0,1 0,1 0,12
10 %-ного остатка 0,2 0,2 и — — 1 — —
по Ромсботгому 0,2 0,25 2,5 — р 1 1 II——
по Кондрадсону (по массе) —— - — 7,0 10 10 14 15
Температура вспышки, °C (не ниже) 62 43 60 60 60 70 60 60 60 80
Температура застывания, °C (не вы- ше), в летнее/зимнее время -10 — 0/-6 +6/0 +6/0 +5 +6/0 +24 +24 + 10; +25
Цетановое число (не ниже) 40 45 40 35 ' ||— — 1 •“
Окончание табл. 6.5
Показатель ISO/DIS 8217 для топлив-аналогов СВС
RMDI5 RME25 RMF25 RMG35
Вязкость, мм2/с (не более) 25 45 45 120 75
Плотность, кг/дм3 (не более) Содержание, % (не более): 0,991 0,991 0,991 1,015 0,991
механических примесей — — ‘ 1
воды (по объему) 0,8 1,0 1,0 1,0 1,0
серы (по массе) 4,0 5,0 5,0 5,0 5,0
Содержание ванадия мг/кг (не более) 350 200 500 — 300
Зольность, % по массе (не бо- лее) Коксуемость, % (не более): 0,1 0,1 0,1 0,15 0,15
10 %-ного остатка 1 -1’ — — —
по Ромсботтому 1 — 1 —
по Кондрадсону (по массе) 14 15 20 22 18
Температура вспышки, °C (не ниже) 60 60 60 100 60
Температура застывания, °C (не выше), в летнее/ зимнее время + 30 +30 +30 +30
Цетановое число (не ниже) — 1 1 1 — 1 1
ISO/DIS 8217 для топлив-аналогов
МП МП мп МП МП мп мп МП
СП СП СП МП МП
X X
S 5 S
^3^
75 75 75 100 100 100 130 130
0,991 ' — 0,991 ' — 0,991
1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0
5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0
600 — ™ " — 600 600 600
0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2
22 22 '" —1 22 22 1 1 1 22 1 1 1
60 60 60 60 60 60 60 60
+30 +30 +30 +30 +30 +30 +30 +30
При ме ча ния. 1. Вязкость приведена для топлив СМТ и его аналогов при 20°С, для СВЛ и аналогов — 50°С, для СВТ и
СВС и их аналогов — 80°С.
2. Плотность приведена для СМТ, СВЛ, СВТ, СВС при 20°С, для их аналогов — при 15°С.
3. Для СМТ и СВС и их аналогов под механическими примесями подразумевается экстрагированный осадок.
274
Таблица 6.6
Марка топлива Вязкость, мм2/с Плот- ность При 20 °C, кг/м3 Содержание, % Золь- ность, % Коксу- емость, % Температура, °C
меха- ничес- ких приме- сей воды серы вспы- шки застыва- ния
не более не ниже
Судовое маловязкое топливо и его аналоги
СМТ
Дизельное топливо:
Л (летнее)
3 (зимнее)
12 890 0,02 Следы 1,5 0,01 0,02 62 -10
6 860 Отсут ствие 0,5 0,01 0,3 (10 % остат- ка) 61 -10
5 840 t 0,5 0,01 То же 61 -(25 + 35) (для се- вера)
Судовое высоковязкое легкое топливо и его аналоги
СВЛ
Моторное топливо:
ДТ (высшей кате-
гории)
ДТ
ДТп
37 14 965 о,1 0,5
20 8,6 930 0,05 0,1
37 14 930 0,05 0,5
37 14 930 0,1 0,5
Малосернис-
тое — 1,0,
сернистое —
2,0, высоко-
сернистое —
2,5
1,5
1,5
1,5
0,05 7,0
0,02
0,04
0,04
3,0
3,0
3,0
65
70
65
65
SLl
Флотский мазут:
Ф-5
Ф-12
Газотурбинное топли-
во сорта:
1-го
2-го
СВТ
Топочный мазут 40
Моторное топливо ДМ
свс
Топочный мазут 100
37
90
21
21
14
27
0,12
2,0
0,05
0,1
80
90
-5
-8
9,0
9,0
260 60
260 60
39
650 120
650 120
935
935
0,02
0,03
0,2
Судовое высоковязкое тяжелое топливо
0,01
0,01
и его аналоги
Сернистое — 0,15
2,0, высоко-
сернистое —
3,5
Малосернис- 0,12
тый — 1,0,
сернистый —
2,0, высоко-
сернистый —
3,5
0,15
61
15 90
90
10 85
Судовое высоковязкое сверхтяжелое топливо и его аналоги
1015
1015
0,6
1,5
1,0 5,0 0,15
1,5 Малосернис- 0,14
тый — 1,0,
сернистый —
2,0, высоко-
сернистый —
3,5
При ме ч а ние. Вязкость приведена для СМТ при 20°С, для остальных топлив — при 80°С.
22 100
НО
+5
+ 10
+(10+ 25)
(42 — из
парафи-
нистых
нефтей)
+ 10
+25
+25 (42 из
парафи-
нистых
нефтей)
п очный мазут 100 в большей мере удовлетворяет экологическим
требованиям по содержанию серы.
Необходимо отметить, что рекомендации по применению су-
довых топлив и их аналогов носят ориентировочный характер,
поскольку эффективное применение каждого топлива зависит
не только от типа двигателя, но и от возможностей его обслужи-
вающих систем.
6.5. ВЫБОР МАРКИ ТОПЛИВА
Судовые дизельные установки отечественной и зарубежной по-
стройки, как правило, характеризуются высокой степенью форси-
рования. Это способствует качественному, наиболее полному сго-
ранию топлива. Высокий коэффициент избытка воздуха обеспечи-
вает быстрое протекание процесса окисления топлива (сгорания) в
камере сгорания. Однако протекание рабочего процесса в дизеле
зависит не только от коэффициента избытка воздуха, но и от час-
тоты вращения дизеля. Таким образом, чем меньше отпущено вре-
мени на рабочий цикл дизеля (малооборотность дизеля), тем ме-
нее благоприятны условия для сгорания топлива.
Важным показателем эффективного сгорания топлива в дизе-
ле является температурное состояние воздушного заряда перед
впрыском топлива (высокая степень его сжатия в цилиндре).
Само топливо характеризуется способностью к самовоспламе-
нению и эффективному (полному) сгоранию в дизеле. Этот по-
казатель характеризует способность топлива:
к тонкодисперсному распиливанию при впрыске, что обес-
печивает равномерное распределение топливных частиц в камере
сгорания и быстрый переход поданной порции топлива в паро-
образное состояние на большой суммарной поверхности испаре-
ния этих частиц;
к испарению распыленных топливных частиц при минималь-
ном уменьшении скорости перехода последних из жидкого со-
стояния в парообразное;
в парообразном состоянии к интенсивному окислению в ре-
зультате быстрого и полного распада молекул с образованием ио-
низированных частей.
Исследования показывают, что способность нефтяных топ-
лив к самовоспламенению и эффективному сгоранию по мере
утяжеления компонентного и расширения фракционного соста-
вов снижается. Это объясняется следующими, причинами. Топ-
ливо тяжелого компонентного состава характеризуется наличи-
ем более прочных сил взаимодействия между молекулами. При
этом наряду с молекулярными силами взаимодействия действуют
силы полярного взаимодействия. Это определяет высокую вяз-
276
кость топлива. Такие топлива для уменьшения их вязкости
обычно подаются в камеру сгорания дизеля в нагретом состоя-
нии.
Однако силы молекулярного и полярного взаимодействия ос-
таются значительными и, несмотря на снижение вязкости топли-
ва, силы сопротивления распаду его струи при истечении через
сопловое отверстие форсунки остаются значительными. Поэто-
му по мере утяжеления компонентного состава топлива умень-
шается дисперсность его распыленных частиц при впрыске в ка-
меру сгорания.
Топлива с широким фракционным составом характеризуются
замедленным переходом топливных частиц в парообразное со-
стояние в результате уменьшения скорости их испарения по мере
перехода в парообразное состояние более легких и низкокипя-
щих компонентов. Это приводит к замедлению процесса окисле-
ния и, как следствие, к неполному сгоранию топлива.
И, наконец, топлива утяжеленного состава состоят из слож-
ных молекул, которые легко распадаются при нагреве на отдель-
ные части, несущие положительный или отрицательный заряд.
Поэтому пары топлива утяжеленного компонентного состава в
камере сгорания легко переходят в ионизированное состояние.
Именно этим объясняется, что температура самовоспламенения
этих топлив ниже, чем легких дистиллятных.
С учетом изложенного можно сформулировать основные
принципы выбора марки топлива для эффективной и надежной
работы различных типов судовых дизельных установок:
малооборотные крейцкопфные дизели могут работать на
любых топливах судового назначения (СМТ, СВЛ, СВТ и СВС),
а также на их аналогах;
тронковые дизели с частотой вращения коленчатого вала до
500 об/мин, устанавливаемые на транспортных судах в качестве
главных, могут работать на топливах СМТ, СВЛ и СВТ и их ана-
логах;
тронковые дизели с частотой вращения вала до 1000 об/мин,
устанавливаемые в качестве главных на вспомогательных судах
и в качестве дизель-генераторов на транспортных и других судах,
могут работать на топливах СМТ и СВЛ и их аналогах;
тронковые дизели с частотой вращения вала более 1000 об/мин
могут работать только на топливе марки СМТ и его аналогах.
Для всех перечисленных двигателей можно использовать эти
топлива и их аналоги только при наличии на судах систем топ-
ливоподготовки для обеспечения: подогрева топлива в танках за-
паса, в отстойных и расходных цистернах для поддержания вяз-
кости топлива в требуемых пределах; очистки топлива от меха-
277
нических примесей и воды и его химико-динамической обработ-
ки; подогрева топлива перед подачей его в дизель на сгорание;
очистки выпускных газов от экологически опасных веществ.
6.6. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗАРАЖЕНИЕ ТОПЛИВ
Микробиологическое заражение топлив и масел выражается в
образовании кислот и шлама, приводящих к закупорке отдель-
ных участков трубопроводов и фильтров, разъеданию поверхно-
стей металлов, их интенсивной коррозии и отложению продук-
тов деградации углеводородов. Следует отметить, что нефть не
может явиться источником заражения, так как в процессе пере-
работки она подвергается термическим воздействиям и получае-
мые из нее топлива и масла являются стерильно чистыми. Зара-
жение происходит при транспортировке или хранении в емко-
стях на берегу или на судне путем попадания в нефтепродукт
микробов и бактерий из атмосферы, с водой (пресной или за-
бортной) или при смешивании с ранее зараженными продук-
тами.
Питательной средой для микроорганизмов являются углеводо-
роды, но при этом обязательно присутствие воды. Заражение мо-
жет произойти и "сухого” топлива, однако рост и размножение
бактерий в отсутствии воды не происходит, поэтому отмеченных
отрицательных последствий при использовании такого топлива
не будет.
На скорость роста и размножения микроорганизмов влияют
такие внешние факторы, как температура (жизнедеятельность
наиболее распространенных микробов и бактерий ограничивает-
ся пределами температур от 25—45 до 65—85°С), количество при-
сутствующей воды, ее водородный показатель, баланс кислорода
и двуокиси углерода. Наиболее активно процесс размножения
протекает в зоне границы раздела фаз топливо—вода.
В подобных условиях находятся слои топлива, примыкающие
к днищу танков двойного дна и отстойных цистерн. Именно
здесь сосредоточиваются шлам, вода и водотопливная эмульсия,
являющиеся прекрасной питательной средой для микроорганиз-
мов. Температура в танках запаса при использовании их под тя-
желые топлива обычно поддерживается на оптимальном для бак-
терий уровне (30—40°С). Дизельные топлива менее подвержены
росту и размножению бактерий, так как попадающая в них вода
278
легко отстаивается и может быть удалена путем спуска отстоя.
Наиболее подвержены микробиологическому заражению тяже-
лые высоковязкие крекинг-топлива, содержащие значительные
количества ароматиков, обладающих большим поверхностным
натяжением и благодаря этому способствующих стабильности
образующейся эмульсии, являющейся, как отмечалось, прекрас-
ным питательным слоем.
Признаки заражения топлива', интенсивное выпадание шлама
и слизи, являющейся продуктом переработки углеводородов бак-
териями; появление неприятного запаха сероводорода, напоми-
нающего запах тухлых яиц. Методы предотвращения заражения
и размножения бактерий: не допускать обводнения топлив и из-
бавляться от воды при ее появлении; во избежание попадания
бактерий в расходные цистерны и систему подачи топлива в ди-
зели поддерживать температуру топлива перед сепараторами вы-
ше 85°С, при которой жизнедеятельность бактерий прекращает-
ся, использовать специальные присадки к топливам, уничто-
жающие находящиеся в них микроорганизмы.
Глава 7
ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА
7.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
В задачу топливной системы входит обеспечивать: приемку
(бункеровку) и хранение топлива на судне; предварительную об-
работку топлива (подогрев, отстаивание, сепарирование и фильт-
рацию); подачу топлива к дизелям и котлам.
Топливная система, предназначенная для использования тя-
желого топлива, показана на рис. 7.1, а, система дизельного топ-
лива, объединяемая с предыдущей системой посредством треххо-
дового клапана II выбора рода топлива, — на рис. 7.1, б. В схе-
мах показана подача топлив только к главному дизелю. Дизель-
ное топливо к вспомогательным дизелям поступает самотеком
непосредственно из расходной цистерны дизельного топлива.
Судовая топливная система в соответствии с ее функциями
условно может быть разделена на три подсистемы: приема и хра-
нения топлива, топливообработки и подачи топлива к двигате-
лям и котлам.
Известны различные методы обработки (подготовки) топлива
перед тем, как подать его в камеру сгорания дизеля.
Обработка осуществляется с целью: уменьшения испаряемо-
сти топлива в процессе хранения в емкостях (танках запаса, цис-
тернах и др.), удаления из топлива механических примесей и во-
ды, улучшения структурного (агрегативного) состояния топлива
и низкотемпературных свойств топлива, снижение его коррози-
онной агрессивности, повышение способности топлива к само-
воспламенению и сгоранию.
Наиболее широко распространены традиционные способы об-
работки топлива на судах, предусматривающие очистку их от ме-
ханических примесей и воды путем использования:
гравитационных сил (отстаивание в емкостях);
центробежных сил (обработка с помощью центрифуги-
рующих устройств — сепараторов);
полупроницаемых (фильтрующих) материалов (обработка в
фильтрующих устройствах).
280
К (из) топливным танкам
Рис. 7.1. Системы тя-
5)
п инсинератору
желого и дизельного
топлив:
7 — приемный патрубок; 2,
3 — отстойная и расходная
цистерны; 4, 5, 12, 14 — на-
сосы соответственно топли-
воперекачивающие, под-
качивающие, бустерные и
циркуляционные; 6 — кла-
панная коробка; 7 — по-
догреватели; 8 — сепарато-
ры; 9 — танк шлама из се-
параторов; 10 — танк шла-
ма; 11 — трехходовой кла-
пан; 13 — бустерная (сме-
сительная) цистерна; 15 —
подогреватель; 16 —
фильтры тонкой очистки;
17 — дизель; LA/H, LA/L,
DP — датчики аварийно-
предупредительной сигна-
лизации соответственно по
верхнему и нижнему уров-
ням и дифференциальному
давлению; ТС — терморегу-
лятор; Pl, Т1 — указатели
давления и температуры;
FM — расходомер; VC —
вискозиметр
281
7.2. ПРИЕМ И ХРАНЕНИЕ ТОПЛИВА НА СУДНЕ
Общие сведения. Прием топлива на судно в процессе его бун-
керовки осуществляется через расположенный на палубе прием-
ный патрубок (см. рис. 7.1, а), снабженный устройством для от-
бора пробы. Скорость подачи заранее оговаривается и обеспечи-
вается давлением, создаваемым насосами бункеровщика. Танки
запаса обычно располагаются в двойном дне. Число свободных
танков должно быть достаточным для того, чтобы избежать сме-
шивания бункеруемого топлива с ранее принятым и тем самым
исключить возможные явления потери стабильности и несовмес-
тимости топлив. Для хранения топлив высокой вязкости и с вы-
сокой температурой застывания желательно использовать танки,
расположенные в поперечной плоскости судна и имеющие значи-
тельно меньшую поверхность соприкосновения с охлаждаемой во-
дой и обшивкой корпуса судна. Все танки двойного дна, предна-
значенные для тяжелого топлива, оборудованы змеевиками паро-
вого обогрева, который необходим для поддержания температуры
топлива, по крайней мере превышающей на 10°С температуру его
застывания и обеспечивающей вязкость менее 1000 мм2/с, доста-
точную для перекачивания. Поддержание в танках более высоких
температур, равно как и их бросков, следует избегать, так как это
вызовет интенсивное шламообразование, образование углерод-
ных отложений на греющих поверхностях. Кроме того, возможен
неоправданный расход энергии. Во избежание обводнения топ-
лива следует избегать использования топливных танков под бал-
ласт, а также следить за состоянием змеевиков обогрева (отсутст-
вием свищей).
Чтобы предотвратить застывание топлива в трубопроводах, по-
следние оборудуют паровыми или электрическими спутниками.
Топливоперекачивающие насосы обычно винтовые, во избе-
жание повреждения перед ними устанавливают фильтры грубой
очистки с размерами ячеек 0,5—5 мм. Клапанная коробка обес-
печивает забор топлива из танков для его последующего исполь-
зования, а также для перекачивания топлива из танка в танк
или сдачи его на берег.
Организация бункеровки. Для пополнения запаса топлива на
судне старший механик направляет в пароходство заявку, в кото-
рой указывает порт захода, дату прибытия с точностью 1—2 дня,
количество и качество (в соответствии с ISO 8217-1996) требуе-
мых сортов топлив. Пароходство выбирает бункеровочную ком-
панию, ориентируясь на цены на настоящий момент и качество
поставляемых ею топлив. Учитывая наличие на Мировом рынке
большого числа бункеровочных компаний и разнообразие цен,
которые меняются буквально ежедневно, задача выбора для па-
282
роходства представляется довольно сложной и ответственной,
тем более, что стоимость расходуемого топлива достигает 40—
50% общей суммы эксплуатационных расходов по судну. Зару-
бежные судоходные компании решают эти проблемы, прибегая к
помощи брокерских или торговых компаний, располагающих де-
тальной информацией по поставщикам и ценам в портах мира.
Брокеры дают пароходству информацию о наиболее выгодном
поставщике топлива в предполагаемом порту бункеровки и осу-
ществляют заказ.
Торговая компания выступает в роли торгового посредника, по
заявке пароходства она по согласованию с ним закупает топливо у
наиболее выгодного поставщика. При этом фирма использует кре-
диты, которыми она располагает у ведущих нефтяных компаний,
тем самым освобождая судовладельца от необходимости предопла-
ты. Для того чтобы максимально облегчить судовладельцу решение
задачи выбора оптимальных портов и сроков предстоящих бунке-
ровок судов, торговая компания систематически снабжает его ин-
формацией о состоянии цен на Мировом рынке и их тренд в обо-
зримом будущем. Торговая компания в отличие от брокера берет
на себя ответственность по количеству и качеству принятого топ-
лива и в случае возникновения споров с поставщиком выступает
от имени судовладельца в их разрешении.
Хорошо зарекомендовавшей себя в России и имеющей ус-
тойчивые деловые связи с пароходствами и небольшими частны-
ми судовладельцами Северо-Западного региона является торго-
вая компания Норвегии Bergen Bunkers A/S.
Основные правила бункеровки. 1. Документы по качеству и
количеству топлива, представленные бункеровщиком, должны
быть проверены на соответствие заказу.
2. Все судовые танки должны быть промерены непосредствен-
но перед бункеровкой. Если топливо доставляется баржой,
третий механик должен лично проследить за контрольными за-
мерами на барже и, используя водочувствительную пасту, прове-
рить наличие в танках отстоявшейся воды. Эта вода должна быть
подсчитана и вычтена из общего объема бункера.
3. Перед пуском насосов третий механик должен согласовать с
бункеровщиком план бункеровки, скорость подачи, процедуру
доливки и прекращения бункеровки в случае затруднения.
4. Согласовать с бункеровщиком процедуру отбора проб топлива.
5. В течение всей бункеровки третий механик должен следить
за уровнями в танках и за давлением подачи, которое должно
быть заранее оговорено.
6. По окончании бункеровки промерить все танки судна и
танки бункеровщика. Произвести полный подсчет объема по-
лученного топлива с учетом поправок на крен, дифферент и тем-
283
пературу топлива в танках, необходимую для пересчета принято-
го объема в стандартный объем.
Для получения фактически принятой массы топлива стан-
дартный объем умножают на плотность топлива, взятую при
15°С, обычно указываемую в паспорте на топливо.
Пересчет измеренного объема принятого топлива V при температу-
ре t в стандартный объем И] 5 (при 15°С) производится по формуле
(7.1)
где kv находят по стандартной плотности р15; 8Т= / - 15°С.
Плотность топлива р т/м3
Поправочный коэффициент kv
0,810—0,813 .....................................0,00091
0,814-0,817......................................0,00090
0,818—0,823 .....................................0,00088
0,824-0,828 .....................................0,00087
0,829—0,833 .....................................0,00086
0,834-0,838 .....................................0,00085
0,839-0,848 .....................................0,00084
0,849-0,854 .....................................0,00083
0,855-0,859 .....................................0,00082
0,860-0,876......................................0,00081
0,877—0,882 .....................................0,00080
0,883-0,893 .....................................0,00079
0,894-0,902 .....................................0,00078
0,903-0,912 .....................................0,00077
0,913-0,925 .....................................0,00075
0,926-0,937......................................0,00074
0,938-0,955 .....................................0,00072
0,956-0,970......................................0,00071
0,971-0,982 .....................................0,00070
0,983-0,997......................................0,00068
0,998-1,015 .....................................0,00067
1,016-1,020......................................0,00066
1,021-1,030 .....................................0,00065
Пример. По окончании бункеровки результаты измерений принятого топли-
ва показали:
= 125 м3; t = 38°С; р 15 = 935 кг/м3 (из паспорта).
Используя данные для коэффициента kv = 0,00074, объем, приведенный к
15°С, Г15 = 125(1 - 0,00074-23) = 122,875 м3;
5Г= 38 - 15 = 23°С;
G|s = р 15 • IO’3 Z|5 = 935 • 122,875 10-3 = 11,4,888 т.
Если же не учитывать поправку на температуру и расчет вести исходя из измерен-
ного объема то соответствующая ему масса Gt — 935 125 • 10“3 ~ 116,875 т.
Ошибка, вызванная пренебрежением поправкой на температуру, составит
Gt- Gi5 = 1,987 т.
Если возникли сомнения в указанной в паспорте плотности,
необходимо добиться, чтобы в счете бункеровщика был простав-
284
лен стандартный объем принятого топлива, а не его масса. Толь-
ко в этом случае после уточнения плотности топлива можно ос-
паривать действительно принятую массу.
Для уточнения плотности и получения более подробной ха-
рактеристики топлива (в документе бункеровщика обычно пока-
зываются только вязкость, плотность и температура вспышки)
пробу топлива направляют на анализ в лабораторию пароходства
или независимой компании. Последний вариант более пред-
почтителен, так как при необходимости предъявления претен-
зии бункеровочной компании и обращения в арбитраж послед-
нему требуется представить заключение по качеству топлива от
независимой компании, в конкретном случае — от DnV/Petrole-
um Service (Осло, Норвегия, факс 47 67 579393).
Отбор проб при бункеровке. Ходовую пробу следует отбирать
на протяжении всей бункеровки, только в этом случае она будет
отвечать среднему составу принятого на борт топлива. Для не-
прерывного отбора пробы рекомендовано устройство (рис. 7.2),
представляющее собой фланец с встроенной в него перфориро-
ванной трубкой, через которую топливо, дозированное игольча-
тым клапаном, поступает в пластиковый контейнер. Фланец ус-
танавливают между фланцами приемного патрубка и шланга
бункеровщика. Перед началом бункеровки соединение контейне-
ра с пробоотборником пломбируют в присутствии бункеровщи-
ка. Аналогичным образом пломбируют и три пластиковые бутыл-
ки, в которые разливают отобранную пробу. Одна бутылка оста-
ется на судне, другая передается бункеровщику, третья отправля-
ется на анализ в лабораторию.
В последние годы на судах все чаще возникают обусловлен-
ные ухудшением качества топлив проблемы. Чтобы обеспечить
Рис. 7.2. Устройство для отбора проб топлива:
1 — фланец; 2 — перфорированная трубка;
3 — игольчатый клапан; 4 — контейнер
285
надежную и безопасную работу судовых двигателей при Класси-
фикационном обществе DnV был организован отдел Petroleum
Service (PS), осуществляющий детальный анализ топлив в при-
надлежащих ему лабораториях в Осло, Роттердаме, Сингапуре и
Нью-Джерси (США). После заключения договора с судоходной
компанией DnV направляет на суда комплекты документации и
устройств для проб.
Отобранные пробы передаются авиакурьерской компании
для срочной доставки в ближайшую лабораторию DnV. Пробу
анализируют и по истечении 24 ч после ее получения результаты
анализа и рекомендации по организации оптимальной обработки
топлива на судне и его эффективному использованию в двигате-
лях передают на судно по телексной или радиосвязи.
Для анализа топлива применяют следующие важные для его
характеристики показатели: плотность при 15°С; кинематиче-
ская вязкость при 50°С; температура застывания; коксовое чис-
ло, содержание серы, золы, воды, V, Na, Al, Si; совместимость
смеси топлив (методом пятна); содержание общего осадка (мето-
дом горячей фильтрации); удельная теплота сгорания.
Значение каждого из перечисленных показателей подробно
изложено в п. 6.1. В случае если по результатам анализа исполь-
зование топлива может представить серьезную угрозу для двига-
телей или безопасности судна, компания DnV—PS срочно изве-
щает судовладельца и судно об этом, в отдельных случаях реко-
мендуя прекратить дальнейшее использование топлива и сдачу
его на берег в ближайшем порту захода.
7.3. ОТСТАИВАНИЕ ТОПЛИВА
На механические частицы и глобулы воды, находящиеся в
жидкости, действуют гравитационная сила (сила тяжести) и вы-
талкивающая (архимедова) сила, направленная в противополож-
ную сторону. Если в результате взаимодействия этих сил на-
блюдается выпадание взвешенных частиц в осадок, это явление
можно использовать для очистки топлива от.механических за-
грязнений и воды. Такой процесс получил название отстаивания,
или седиментации.
Отстаивание — это наиболее простой метод очистки нефтя-
ных топлив от загрязнений при условии достаточного различия в
значениях плотности загрязнений, воды и нефтяного топлива.
Осаждение механических примесей в гравитационном поле жид-
кости происходит под действием собственного веса и подчиняет-
ся законам падения тел малого размера в среде, оказывающей
сопротивление их движению. Тогда сила тяжести шарообразной
286
частицы, под действием которой происходит осаждение частицы
в жидкой среде,
Л 6 (Рч Рж)& (?-2)
где d — диаметр частицы, мм; рч, рж — плотность соответственно части-
цы и жидкости, кг/м3; g — ускорение свободного падения, м/с2.
Сила сопротивления жидкой среды зависит от ее плотности и
вязкости, а также от размеров движущихся частиц, их формы и
режима движения. Сила лобового сопротивления жидкой среды
осаждению частиц связана с числом Рейнольдса Re,
характеризующим отношение сил инерции к силам трения.
При ламинарном характере движения жидкости, характерном
для малого размера частиц и довольно высокой вязкости жидкости,
сила сопротивления жидкой среды равна сумме всех элементарных
сил трения между частицей и обтекающим ее пограничным слоем.
В этом случае при Re > 1 может быть применен закон Стокса, со-
гласно которому сила лобового сопротивления жидкой среды
Fc = 3n|irfv4, (7.3)
где |i — динамическая вязкость топлива, Па • с; d — диаметр частицы,
мм; гч — скорость осаждения частицы, м/с.
Критерием оценки эффективности осаждения механических
примесей является изменение их содержания и воды в известном
объеме отстойной цистерны за определенный промежуток вре-
мени.
Рассматривая частицу как шарик с приведенным диаметром,
можно определить время ее осаждения в зависимости от плотно-
сти вещества, из которого она состоит, и вязкости среды (топ-
лива).
Наибольшее влияние на скорость осаждения примесей оказы-
вает вязкость топлива.
Если считать, что механическая частица, находящаяся в гра-
витационном поле жидкой среды, осаждается с постоянной ско-
ростью, т. е. когда Fc — F7, то с учетом уравнений (7.2) и (7.3)
можно записать
Лрч-рж)£
18ц
(7-4)
Таким образом, в соответствии с законом Стокса скорость
осаждения частицы пропорциональна квадрату ее диаметра, раз-
287
ности плотностей частицы и жидкости и обратно пропорцио-
нальна вязкости топлива. Из уравнения скорости легко опреде-
лить время, необходимое для осаждения частицы от верхнего
уровня до днища отстойного танка:
£ = 18£ц
vr <Г(РЧ-РЖ)^’
(7-5)
где £ — высота танка, м.
Как известно, вязкость топлива может меняться в широком
диапазоне и является тем показателем, на который можно влиять
в процессе эксплуатации на борту судна путем подогрева.
Расчеты показывают, что время осаждения механических при-
месей одинакового размера в мазуте, имеющем вязкость 20° ВУ
при 50°С, примерно в 12—15 раз больше, чем в дизельном дис-
тиллятном топливе. Аналогичны соотношения и для времени
осаждения глобул воды, если только частицы воды не образуют
стойкой водотопливной эмульсии. В последнем случае даже при
малой вязкости топлива осаждения водяных глобул не происхо-
дит.
На основании изложенного можно сделать следующие выводы:
по своей эффективности отстаивание топлива как метод под-
готовки в последнее время теряет свое значение на флоте, осо-
бенно для высоковязких топлив;
наиболее эффективно отстаивание может применяться для
очистки мало- и средневязких топлив;
отстаивание топлив является вспомогательным способом очистки.
Процесс очистки начинается в отстойной цистерне (см. рис. 7.1),
куда топливо подается топливоперекачивающими насосами.
Вместимость цистерны рассчитана на 24 ч непрерывной работы
главного дизеля, что позволяет топливу отстаиваться в течение
этого времени. Пополняется цистерна автоматически, для чего
она снабжена реле минимального и максимального уровня. Вода
и механические загрязнения выпадают в осадок на дно цистерны
под действием гравитационных сил, откуда их периодически уда-
ляют через спускной клапан.
Процесс отстаивания дизельного топлива происходит доволь-
но быстро, в то время как отстаивание тяжелых высоковязких
топлив протекает медленно и не всегда удовлетворительно. Это-
му мешает высокая вязкость топлива. Для ее снижения топливо
в цистерне подогревают паровыми змеевиками до 70°С, если
температура вспышки топлива выше 85°С. При меньших значе-
ниях /всп во избежание пожара температура подогрева не должна
превышать (?всп — 15°С). Это условие выбора максимально допус-
288
тимой температуры подогрева топлив распространяется для всех
видов подогревателей, сообщающихся с атмосферой.
Температурный режим в отстойной цистерне должен носить
стабильный характер без резких колебаний температуры, в про-
тивном случае возникающие конвективные токи будут препятст-
вовать процессу осаждения. Большинство тяжелых топлив содер-
жат значительные количества асфальтосмолистых соединений,
обладающих высоким поверхностным натяжением, что способст-
вует образованию стойких водотопливных эмульсий и тем самым
препятствует выпаданию воды в осадок. Прочность эмульсии
бывает настолько высока, что она не разбивается даже в сепара-
торах, и вода остается в виде глобул, окруженных прочной обо-
лочкой из топлива. В этом случае рекомендуется применять ан-
тиэмульгирующие присадки к топливу или оставлять воду в топ-
ливе, если ее содержание не превышает 3% (морская) и 5% (пре-
сная). Но перед подачей обводненного топлива в дизель необхо-
димо его прогнать несколько раз насосом по замкнутому конту-
ру, что уменьшает размер глобул воды до 15—20 мкм.
7.4. СЕПАРАЦИЯ ТОПЛИВА
Очистка нефтяных топлив в центробежном поле заключается
в осаждении механических частиц и глобул воды под действием
центробежной силы, которая перемещает частицу от центра к
периферии поля. При большой частоте вращения центробежная
сила значительно превышает силу тяжести, действующую на час-
тицу, поэтому при расчетах процессов центробежной очистки
силой тяжести обычно пренебрегают. Под действием центробеж-
ной силы механическая частица или глобула воды движется в
нефтяном топливе радиально. Скорость осаждения частицы в
этом случае, как и в гравитационном поле, связана с числом
Рейнольдса и при Re < 1 в соответствии с законом Стокса мож-
но записать
'Арч-Рж)®2'^
vu“ 18ц
(7.6)
где d — приведенный диаметр частицы, мм; со = лп/и — угловая ско-
рость поля, рад/мин; п — частота вращения, об/мйн; гч — расстояние
частицы от центра центробежного поля, мм.
Для оценки эффективности очистки жидкости в центробеж-
ном поле большое значение имеет так называемый фактор разде-
ления, при Re < 1, соответствующий ламинарному течению,
10 Зак. 1596
289
имеющему место при небольших угловых скоростях центробеж-
ного поля. Фактор разделения
фр = Vvr-
(7.7)
При расчете процессов центробежной очистки топлива следует
задаться таким условием, что весь поток жидкости в центрифуге
движется без проскальзывания параллельно ее оси. Для средней
скорости движения топлива через центрифугу можно записать
QP
(7.8)
где 0р — объемный расход топлива через центрифугу, м3/с; 7?р — радиус
внутренней поверхности барабана центрифуги, мм; Rq — внутренний
радиус потока жидкости в барабане, мм.
Время пребывания топлива в центробежном поле центрифуги
Ср >
(7.9)
где h — средняя высота барабана, мм; Q — рабочий объем барабана цен-
трифуги, мм3.
Если допустить, что при полном осаждении частиц в роторе
скорость их осаждения постоянна и равна некоторой средней
скорости, то время осаждения
у
цср
(7.Ю)
Тогда, используя выражения (7.6), (7.7) и (7.10) и решая их
относительно Qp, можно определить производительность цен-
трифуги при условии полной очистки в ней топлива от частиц
загрязнений и глобул воды диаметром d:
„ пЛрч-рж)ю2гч
Qp 18ц(Лр-Л0) • (711)
Коэффициент полноты очистки топлива за один проход че-
рез барабан центрифуги при любых расходах Qpi
Qp «а (рч-рж)<огч
Е" <2РГ 18ц0р,(Лр-Ло) • (712)
290
Согласно полученному уравнению с увеличением расхода 0р/
относительно теоретического эффективного расхода £)р коэффи-
циент полноты отделения механических примесей снижается.
Одним из основных способов повышения эффективности работы
центрифуг является уменьшение пути осаждения частицы в бара-
бане. Из уравнения (7.12) с уменьшением разницы (7?р — Яд) при
одинаковом времени пребывания жидкости в центробежном по-
ле увеличивается коэффициент отсева с и уменьшается предель-
ный диаметр частиц, полностью осаждающихся в барабане.
Уменьшение пути осаждения частицы достигается применением
роторов многокамерного, со спиральной камерой и с пакетом
конических тарелок.
Для создания центробежного поля при очистке жидкости
применяют аппараты двух типов: неподвижный — гидроциклон, в
котором поток жидкости вращается в неподвижном корпусе ци-
линдрической, цилиндроконической или конической формы, и
вращающийся — центрифуга, ротор которой вращается вместе с
жидкостью. Центрифугу, имеющую ротор с пакетом конических
тарелок, обычно называют тарельчатым центробежным сепара-
тором. Подобные устройства наиболее широко распространены
на морском флоте для очистки топлив и масел.
В тарельчатой центрифуге жидкость, введенная в ротор по
внутренней центральной трубе, движется к периферии пакета
конических тарелок, которые делят поток в роторе на ряд тонких
слоев. В результате путь осаждения механических частиц и гло-
бул воды становится короче и процесс осаждения ускоряется.
Путь частицы загрязнений в межтарельчатом пространстве слага-
ется из движения в радиальном направлении к периферии под
действием центробежной силы и движения вместе с потоком
жидкости вдоль образующей поверхности тарелки. При работе
Производительность тарельчатой центрифуги при условии полно-
го выделения из жидкости механических примесей
Срп
2тссо z^T(rmax гп1|п) (рч Рж)^
3(rmax ” rmin)
(7-13)
где со — угловая скорость ротора, рад/с; / — число тарелок в роторе;
rmax, rmin — соответственно максимальный и минимальный радиусы ко-
нической части тарелки, мм.
Высота рабочей части тарелки
max
min/ >
(7.14)
где ocr — угол наклона тарелок, град,
ю*
291
Тогда
_ я^2<о2(Рч - Px)rtggT(r^ax - r^in)
рп 27 ц
(7.15)
Коэффициент отсева механических примесей в тарельчатой
центрифуге при различных расходах через нее
= Срп ^®2(Рч-Рж)'1ёат(гп1ах-гпвп)
ф сРП," 27Иерп1.
(7.16)
Из выражений (7.15) и (7.16) видно, что эффективность тарельча-
той центрифуги прямо пропорциональна числу тарелок и углу 04..
Увеличение числа тарелок, вызывающее при неизменных размерах
ротора уменьшение межтарельчатого пространства, офаничивается
вязкостью жидкости.
Эффективность очистки жидкости в тарельчатой центрифуге
повышается с увеличением максимального радиуса тарелок. Од-
нако увеличение rmax ограничено диаметральным размером рото-
ра, так как при гтах, равном внутреннему радиусу ротора, на его
стенках не остается места для сбора шлама и грязеемкость цен-
трифуги в этом случае будет очень маленькой. В тарельчатой
центрифуге существует предел разделения суспензии, который
определяется минимальным критическим размером частиц, вы-
деляемых в осадок, и, по данным Г. И. Бреммера, может быть в
пределах 0,2—0,6 мкм. Однако резкое снижение эффективности
разделения суспензии в тарельчатой центрифуге наблюдается
при турбулизации потока в межтарельчатом пространстве, что
вызывает отрыв осевших на тарелках частиц и захват их потоком
очищенного нефтепродукта. Для обеспечения в межтарельчатом
пространстве ламинарного течения жидкости число Рейнольдса
Re не должно превышать 200—300:
Re —
QpnPx
,2
<°срЛ
или Re = Tn- ,
U p
где — внутренний диаметр ротора, мм; соср — средняя скорость тече-
ния жидкости между тарелками, м/с; h — расстояние между тарелками,
мм; "о — кинематическая вязкость топлива, мм2/с.
Основная очистка топлива осуществляется в центробежных
сепараторах (см. рис. 7.1, а), куда топливо поступает, предвари-
тельно нагреваясь в паровых или электрических подогревателях
до температур, обеспечивающих вязкость менее 40 мм2/с. Темпе-
ратура выше 98°С не допускается, так как это может привести к
292
интенсивному испарению воды и нарушению водяного затвора
сепаратора. Во избежание деградации топлива, приводящей к об-
разованию на нагревающих элементах углеродистых отложений,
затрудняющих процесс теплопередачи, температура элементов
не должна превышать 170°С. Опыт показывает, что это достига-
ется, если электрическая мощность греющих элементов не пре-
вышает 1 Вт/см2.
Топливо, прошедшее подогреватель, поступает в сепаратор
сверху через патрубок 7 (рис. 7.3) и далее по центральному кана-
лу движется в нижнюю часть барабана, приводимого во враще-
ние электродвигателем посредством вала. При поступлении в ба-
рабан топливо приходит во вращение вместе с ним и по мере
продвижения по узким щелям, образованным между тарелками,
в направлении оси вращения скорость топлива увеличивается и
приходит в соответствие с частотой вращения барабана. В щели
между тарелками топливо попадает через отверстие в распреде-
лительном диске и аналогичные отверстия в тарелках. В зависи-
мости от размеров сепаратора число тарелок составляет 15—50. В
целях повышения эффективности очистки зазор между тарелка-
ми в современных сепараторах уменьшен до 0,5—0,6 мм.
Одновременно с вращением топливо под действием напора, соз-
даваемого на входе сепаратора, движется между тарелками, где про-
исходит его очистка, и далее направляется к выходному патрубку 2.
Очистка топлива в сепараторе основана на разности создавае-
мых в нем центробежных сил, в свою очередь определяемой раз-
личием в плотностях очищаемого нефтепродукта и находящихся
в нем примесей. Качество очистки зависит также от продолжи-
тельности нахождения топлива в барабане сепаратора: чем она
больше, тем лучше и полнее очистка. Продолжительность пре-
бывания топлива в сепараторе зависит от скорости его продви-
жения между тарелками, а последняя определяется задаваемой
скоростью его поступления в сепаратор и вязкостью, в свою оче-
редь зависящей от температуры топлива.
Для выбора оптимального режима работы сепаратора следует
руководствоваться графиками (рис. 7.4, а, б), с помощью кото-
рых скорость подачи и температура подогрева определяются в за-
висимости от вязкости: большая вязкость топлива требует уве-
личения температуры и снижения скорости подачи.
Для обработки тяжелого топлива обычно используют два се-
паратора, для дизельного — один или два. В зависимости от
качества тяжелого топлива оба сепаратора включаются параллель-
но — работа в режиме пурификации, или последовательно —
первый сепаратор работает в режиме пурификатора, а второй —
кларификатора. После сепараторов навешенными на них насоса-
ми топливо подается в расходную цистерну 3 (см. рис. 7.1).
293
При работе в режиме пурификации в барабане сепаратора под-
держивается водяной затвор (см. рис. 7.3). Граница раздела воды
с топливом должна располагаться у внешней кромки распредели-
Рис. 7.3. Принципиальная схема центробежного сепаратора Альфа-Лаваль:
1—3 — патрубки; 4, 5 — напорный и гравитационный диски; 6 — тарелки; 7 — водяной за-
твор; 8 — распределительный диск; 9 — вал; 10 — барабан; 11 — граница раздела воды с топ-
ливом; 12 — водоотводной канал
294
тельных отверстии и ни в коем случае не проходить по отверсти-
ям или правее них. В первом случае будет наблюдаться торможе-
ние потока топлива на входе в тарелки, что приведет к резкому
ухудшению сепарации, а во втором — в зону очищенного топли-
ва будет поступать вода.
Эффективность сепарации повышается, когда поверхность
раздела отодвигается влево от отверстий, так как увеличивается
эффективная поверхность тарелок. Но в этом случае растет опас-
ность исчезновения (разрыва) водяного затвора и, как следст-
вие, утечка топлива к водоотводному патрубку 3. Для создания
водяного затвора в сепаратор по каналу 12 подводится вода, ко-
торая служит и для промывки барабана при его разгрузке.
Обычно водяной затвор пополняется за счет воды, сепарируе-
мой из топлива. Для поддержания равновесного положения меж-
ду количествами воды, отбираемой из топлива (поступающей в
зону гидравлического затвора) и уходящей из него, на выходе ус-
тановлен гравитационный диск. Поскольку давление на границе
раздела топлива с водой, а значит, и положение границы зави-
сят от плотности топлива, размеры диска подбирают в соответст-
вии с ней. Неправильно подобранный диск приведет к смеще-
нию поверхности раздела и нарушению эффективности сепара-
ции.
Необходимость в регулировании водяного затвора путем под-
бора гравитационного диска в новых моделях сепараторов Ал-
кап (Альфа-Лаваль) и Секутрол (Вестфалия) полностью ис-
ключена, так как в них осуществлен непрерывный контроль за
выходящим из сепаратора топливом и при появлении в нем воды
Q)
80
А
S3
о о 60
=§•40
£ S3
S 20
сз к: u
б)
Вязкость мну с, при80°С
30 60 во , 180 360 600
вязкость мм2/с, при 50°С
200 400 600 1500 3500 6000
Вязкость, с 81, при 38° С
75 25 . 45 75100130
Вязкость, мн ус, привО°С
з5 бо So ~i5d зво. Soo
Вязкость, мм ус, при 50 С
200 400 600 1500 3500 6000
Вязкость, с RI, при 38°С
Рис. 7.4. Зависимости скорости подачи сепаратора (о) и температуры подогрева
топлива (б) от вязкости
295
^1030
990
12
970
950
18
20
930
30
50
10
Рис. 7.5. Зависимость плотностей воды
(соленой — 7, пресной — 2) и топлива
3 от температуры
drMHM
Рис. 7.6. Распределение частиц загряз-
нений по размерам d в неочищенном
топливе (7) и топливе, прошедшем сепа-
рирование при параллельной (/7) и по-
следовательной (///) работе сепараторов
автоматически увеличивается проходное сечение клапана, осуще-
ствляющего разгрузку барабана от воды.Вода отводится непре-
рывно с помощью напорного диска по каналу 3,
С утяжелением топлив и увеличением их плотности возникла
серьезнейшая проблема сепарации воды от топлива, если раз-
ность их плотностей стремится к нулю или приобретает отрица-
тельное значение (рис. 7.5). Плотность современных и перспек-
тивных топлив может достигать 990—1000 кг/м3 и более, плот-
ность пресной воды при 20°С равна 1000 кг/м3 и лишь плотность
морской воды лежит в пределах 1000—1013 кг/м3. С увеличением
температуры плотность нефтепродуктов уменьшается быстрее,
чем воды, поэтому разность их плотностей рв “ рт возрастает.
Опыт свидетельствует о том, что при сепарации вода отделяется
от топлива, если рв — рт > 30 кг/м3. Этот минимум обеспечивается
для всех топлив, плотность которых ниже 991 кг/м3, при темпера-
туре подогрева 98°С. Таким образом, рт = 991 кг/м3 представля-
ет собой верхний предел плотности топлива, при котором воз-
296
можно еще отделение пресной воды от топлива. Сепарация мор-
ской воды возможна и от более тяжелых топлив.
В процессе очистки топлива грязь и шлам скапливаются
внутри барабана и по мере его заполнения во избежание нару-
шения сепарации барабан следует очищать. В современных се-
параторах очистка осуществляется автоматически с перио-
дичностью 2—4 ч при сепарации топлива вязкостью 120—380
мм2/с. Для более вязких топлив, содержащих большое количе-
ство механических примесей, время между разгрузками не
должно превышать 1—2 ч. В противном случае переполнение
барабана может привести к прекращению очистки топлива, и
неочищенное топливо пойдет в расходную цистерну. Иногда
барабан переполняется даже при малых интервалах между раз-
грузками. Это происходит при сепарации обводненного топли-
ва, образующего с водой стойкую эмульсию, содержание кото-
рой в скапливающемся в барабане шламе может достигать
80%. В этой ситуации надо стремиться избегать "перемалыва-
ния" топлива насосами и обеспечить наиболее эффективное его
отстаивание в отстойных цистернах.
В режиме кларификации сепаратор работает без водяного за-
твора, выход воды из сепаратора перекрывается, и топливо очи-
щается лишь от механических примесей. Обычно кларификатор,
устанавливаемый последовательно с пурификатором, служит вто-
рой ступенью очистки (см. рис. 7.1, а).
Опыт показывает, что при последовательной работе сепарато-
ров основная очистка осуществляется в пурификаторе (до 70%
примесей отбирается в нем) и лишь 10% приходится на долю
кларификатора. Таким образом, роль кларификатора сводится к
удалению из топлива оставшихся в нем более мелких частиц ме-
ханических примесей и роли "сторожа" на случай прорыва меха-
нических загрязнений через пурификатор. При работе на тяже-
лых низкосортных топливах, получаемых компаундированием
остатков каталитического крекинга и висбреакинга с керосино-
газойлевыми фракциями, сепарацию рекомендуется осуществ-
лять в режиме: два параллельно работающих на малой произво-
дительности пурификатора с последовательно включенным кла-
рификатором. Эффективность очистки в этом варианте достигает
80—90%, в то время как в варианте пурификатор—кларификатор
она составляет 70%.
Выбор режима сепарации приобретает особо важное значе-
ние при очистке топлив, содержащих алюмосиликатную мелочь,
могущую вызвать буквально катастрофический износ двигате-
лей. Здесь чрезвычайно важно сепарацию вести с малыми по-
дачами топлива в сепараторы (15—20% паспортной) и по после-
довательной схеме с использованием кларификатора в качестве
297
последней ступени (рис. 7.6). При сепарации классических мазу-
тов (прямогонных остатков) возможны менее жесткие требова-
ния к выбору режима.
7.5. ФИЛЬТРОВАНИЕ ТОПЛИВА
Наряду с сепарацией в комплекс топливообработки входит
фильтрование топлива с использованием фильтров грубой и тонкой
очистки. Фильтры грубой очистки устанавливают перед всеми насо-
сами (топливоперекачивающими, подкачивающими насосами сепа-
раторов, бустерными и циркуляционными, см. рис. 7.1, а) в целях
предупреждения их повреждения при попадании крупных частиц.
Фильтры тонкой очистки устанавливают непосредственно перед ди-
зелями для защиты прецизионных элементов топливной аппаратуры
от частиц механических примесей, не задержанных в сепараторе.
Принцип действия фильтра основан на отделении от нефтепро-
дукта загрязняющих примесей при его пропускании через фильт-
рующую перегородку, размеры ячеек которой меньше размеров
отфильтровываемых частичек. Наибольший размер частиц загряз-
нений, пропускаемых фильтром, определяет тонкость отсева. По
этому показателю имеются три группы фильтров очистки топлива:
предварительной — для предохранения топливной системы
от попадания случайных крупных загрязнений (фильтры перед
топливоперекачивающими насосами);
грубой — для удаления из топлива частиц размером более 40 мкм;
тонкой — для удаления примесей размерами более 6—15 мкм, а
при применении бумажных элементов — более 4—5 мкм.
Фильтр характеризуется также коэффициентом очистки и сте-
пенью фильтрации, которая представляет собой отношение мас-
сы удаленных примесей к ее первоначальному значению:
= (Со ~~ Goct)/Gq (где (7ОСТ — масса примесей, оставшихся в
прошедшем фильтрацию продукте).
На судах применяют фильтры и самоочищающиеся фильтра-
ционные установки. В зависимости от принципа действия
фильтрующие элементы могут быть поверхностными либо объ-
емными (емкостными).
В поверхностном фильтре топливо очищается путем осаждения
примесей на поверхности элементов, кромках ячеек или щелей. В
качестве фильтрующего материала используют с.етку, листовую бу-
магу (фильтры ТФ), ткань либо фильтрующий элемент образуется
пластинками, витками проволоки или ленты (щелевые фильтры).
В объемном фильтре нефтепродукт пропускается через фильт-
рующий материал, содержащий множество каналов и пор, в ко-
торых и откладываются загрязняющие примеси. Для изготовле-
298
ния объемных элементов используют фетр, древесноволокнистые
материалы, металлокерамику, пористую бронзу. Объемные
фильтры в отличие от поверхностных способны удерживать
большое количество грязи, имеют более высокий коэффициент
фильтрации и не способны к внезапному засорению.
Малый срок службы любых фильтрующих элементов из-за
интенсивного забивания асфальтосмолистыми соединениями
при фильтрации тяжелых топлив, невозможность отделения во-
ды, необходимость в ручной очистке послужили серьезным пре-
пятствием к использованию подобных фильтров на современ-
ных судах. На смену им пришли самоочищающиеся фильтраци-
онные установки, имеющие по сравнению с сепараторами суще-
ственные достоинства: малые энерго- и трудозатраты на обслу-
живание, возможность автоматизации; простоту конструкции,
более высокую надежность в работе; независимость процесса
очистки от разности плотностей топлива и удаляемых из него
частиц механических примесей; меньшие потери горючей массы.
В некоторых конструкциях фильтрационных установок пред-
принята попытка отделения от топлива воды благодаря водоот-
талкивающей пропитке фильтрующих материалов. Однако опыт
показал, что по мере загрязнения водоотталкивающая способ-
ность фильтра ухудшается. На судах распространены фильтраци-
онные установки с постоянными фильтрующими элементами
поверхностного типа (сетчатые, щелевые) с периодической авто-
матической самоочисткой методом противотока.
Создатели самоочищающихся фильтрационных установок, стре-
мясь достигнуть тонкости отсева частиц загрязняющих примесей до
5—10 мкм (таков размер отсеивающихся частиц в сепараторах), стал-
киваются с проблемой быстрого загрязнения фильтрующих поверхно-
стей асфальтенами, находящимися в топливе в коллоидном растворе,
размер мицелл которых близок к упомянутой тонкости отсева. Это
вызывает необходимость частой промывки с использованием проти-
вотока, что в свою очередь сопряжено с ростом потерь топлива со
шламом. Отмеченное обстоятельство является существенным недос-
татком фильтрационных установок, поэтому они не могут конкуриро-
вать с современными автоматизированными сепараторами.
Широко применяют фильтрующие материалы: поверхностно-
го удаления механических примесей из топлива (металлические
сетчатые материалы с ячейками 10—200 мкм и более, тканые из
синтетических и хлопчатобумажных тканей, бумажные) и объем-
ного удаления (пористые синтетические и пористые металличе-
ские материалы — пористая бронза).
Степень использования фильтрующих материалов связана со
сроком их службы и регенерации (т. е. очистки от образовавших-
ся на них отложений).
299
Фильтрующие элементы по мере работы постепенно загряз-
няются, их пропускная способность уменьшается, что контроли-
руют перепадом давления топлива до и после фильтра. При дос-
тижении предельного значения этого перепада фильтрующие
элементы очищают от осадка с помощью химических средств.
Фильтрующие элементы металлические (пористая бронза) или
керамические освобождают от осадка путем его выжигания.
7-6. ХИМИЧЕСКАЯ, ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ, МАГНИТНАЯ ОБРАБОТКА
ТОПЛИВА
Общие сведения. Наряду с традиционной обработкой топлива
широко применяют новые методы (чаще всего их используют со-
вместно):
химическая обработка — ввод в топливо композиций присадок,
снижающих испаряемость и улучшающих низкотемпературные
свойства топлива, интенсифицирующих процесс сгорания и сни-
жающих образование при сгорании экологически опасных веществ;
гидродинамическая обработка — воздействие на топливо ульт-
развуковых и кавитационных сил;
магнитная обработка — воздействие на топливо переменного
или постоянного поля.
Химическая обработка. В топливо вводят композиции приса-
док с различными функциями или отдельными функциями.
Присадки, снижающие испаряемость топлива и улучшающие
его низкотемпературные свойства, целесообразно вводить при
бункеровке судна. Присадки, снижающие склонность топлива к
осадкообразованию, также целесообразно вводить при бункеров-
ке или непосредственно в танки запаса сразу же после заверше-
ния процесса бункеровки.
Присадки, защищающие топливную аппаратуру от коррозии и
образования лаковых пленок, а также присадки, улучшающие
сгорание и предотвращающие образование экологически опас-
ных веществ в процессе сгорания, следует вводить перед подачей
топлива к дизелю.
Расширяющееся применение на судах дешевых тяжелых топ-
лив с их низкой стабильностью при хранении, склонностью к от-
ложениям и нагарообразованию, ухудшенной способностью к
сгоранию и высокой коррозионной активностью привело к необ-
ходимости прибегать к созданию таких присадок, которые по-
могли бы решить проблемы: хранения и обработки, сгорания то-
плив, борьбы с нагарами и высокотемпературной коррозией, а
также с низкотемпературной сернистой коррозией.
Тяжелым высоковязким топливам присуща склонность к об-
разованию отложений в танках запаса, фильтрах, подогревателях
300
и других элементах топливной системы, в том числе сепараторах.
Причина заключается в наличии в топливах тяжелых углеводоро-
дов (смол, асфальтенов). Обладая повышенной поверхностной
активностью, тяжелые углеводороды группируются вокруг за-
грязняющих топливо примесей, глобул воды, образуя сложные
структуры, размеры которых увеличиваются, и они выпадают в
осадок в виде шлама на днище танка или осаждаются на поверх-
ностях топливной системы.
Один из путей борьбы с шламообразованием и отложениями в
подсистемах хранения и переработки топлива состоит во введе-
нии в топлива химических присадок, содержащих мощные дис-
пергаторы. Поверхностная активность последних существенно
повышает поверхностную активность содержащихся в топливе
асфальтосмолистых соединений, выступающих в роли естествен-
ных коагулянтов и эмульгаторов. Благодаря отмеченному свойст-
ву вещества присадок притягивают к себе смолы, обволаки-
вающие структурные системы тяжелых углеводородов, и час-
тично замещают их. Ослабление вследствие этого поверхностно-
го натяжения тяжелых углеводородов, а также расклинивающее
действие введенных с присадкой диспергаторов приводят к раз-
рыву этих структурных систем, их диспергированию и благода-
ря этому к предотвращению шламообразования. В роли ПАВ-
диспергаторов обычно используют растворимые в топливе орга-
нометаллические соединения, вводимые в хорошо зарекомен-
довавшие себя присадки Vecom FOT-NW, Bunkersol-D, Perolin
622-DE и др. Неплохие результаты показала опытная присадка
ЛЗ-ЦНИИМФ-6. Важное свойство поверхностно-активных ве-
ществ присадок состоит также в защите металлических поверх-
ностей от коррозии, ржавления и образования на горячих по-
верхностях лаковых пленок.
Вводимые в топлива присадки-диспергаторы способствуют не
только борьбе со шламообразованием, но, измельчая структуру на-
ходящихся в топливе тяжелых углеводородов, и более полному их
сгоранию в цилиндрах. Происходящее при наличии присадок за-
мещение откладывающихся на нагретых поверхностях смол изоли-
рует, в частности, поверхности прецизионных элементов от них и
тем самым препятствует лакообразованию, часто приводящему к
зависанию игл форсунок и плунжерных пар ТНВД.
Проблема высокотемпературной коррозии, вызываемой про-
дуктами сгорания топлива, наиболее тесно связана с работоспо-
собностью выпускных клапанов дизеля и рабочего аппарата газо-
вой турбины. Срок службы выпускного клапана до переборки в
современных двигателях составляет 2000—8000 ч, что в 2—3 раза
меньше ресурса даже такого нагруженного элемента, как порш-
невое кольцо. Основная причина прогорания клапанов заключа-
301
ется в их высокотемпературной коррозии под воздействием зо-
лы топлива.
Главными коррозионными и абразивными составляющими
золы, образующейся в цилиндрах дизеля при сгорании тяжелых
топлив, являются пятиокись ванадия, сульфат натрия и некото-
рые другие сложные соединения. Относительно низкая темпера-
тура плавления большинства соединений определяет их коррози-
онную агрессивность, так как установлено, что они наиболее ак-
тивны по отношению к металлам именно в жидком состоянии.
Однако это не исключает возможности коррозии и в газовой фа-
зе. Помимо ванадия, в топливе содержатся сера и натрий в виде
NaCl; последнее соединение имеется также в капельках морской
воды, в засасываемом двигателем воздухе и в больших количест-
вах может попадать в топливо при его обводнении. В топливо
также заносится сульфат натрия Na2SO4. Еще в больших количе-
ствах сульфат натрия с температурой плавления Гпл = 885°С обра-
зуется в результате реакции сгорания топлива при взаимодейст-
вии NaCl, SO2, кислорода и паров воды. Эта же реакция взаимо-
действия NaCl и SC>2 может происходить не только в цилиндрах
дизеля, но и на лопатках газовых турбин, подвергающихся суль-
фидно-кислой коррозии. Температура*плавления при взаимодей-
ствии ванадиевых соединений и натрия понижается. Наиболее
низких значений она достигает при образовании ванадия-ванада-
та натрия N2O • V2O4 • 5V2C>5 (/пл = 625°С) и пента-натрий-вана-
дата 5N2O • V2O4 • 11V2O5 (/пл = 535°С).
Для образования этих соединений необходимо присутствие в
топливе натрия и ванадия в соотношении 1 : 3. Если отношение
Na/V меньше, то соответственно меньше будет образовываться
соединений натрий-ванадиевых, имеющих низкую температуру
плавления, меньше будет интенсивность коррозии.
Процесс коррозии (окисления) заключается в следующем. Об-
разовавшиеся в ходе реакции сгорания топлива соединения на-
трия и ванадия, а также сульфаты Na2SO4 и пиросульфаты
Na2S2O7 (температура плавления последних всего 400°С) вместе с
продуктами сгорания движутся к выпускному клапану. Если тем-
пературы тарелки клапана и седла оказываются ниже температу-
ры плавления этих соединений, то они минуют клапан и уходят
из двигателя. Если же клапан и особенно его рабочая фаска и
седло имеют высокую температуру (более 520°С), то соединения
при соприкосновении с ними плавятся и прилипают к ним. На-
ходясь в жидком состоянии, они вступают в реакцию с защи-
щающими клапан и его седло окисными пленками, разрушают
их и окисляют металл. Особенно активна пятиокись ванадия
V2O5.
302
Образующиеся на рабочем поле клапана рыхлые окисные
структуры бомбардируются частицами сажи и золы, летящими
мимо клапана в общем потоке продукта сгорания с большой ско-
ростью. Их удары о клапан в дополнение к коррозии вызывают
эрозию. В итоге на рабочих фасках и седлах клапана образуются
раковины, бороздки, по которым прорываются горячие продукты
сгорания. Это в свою очередь приводит к росту температуры ме-
талла, активации коррозионно-эрозионных процессов и местно-
му выгоранию металла.
Чтобы избежать коррозии или во всяком случае уменьшить ее
интенсивность, необходимо путем интенсивного охлаждения пони-
жать температуру клапана и его седла. Нужно иметь в виду, что пе-
реохлаждение клапанов (а это часто бывает с его стержнем при ра-
боте на пониженных нагрузках) стержень интенсивно корродирует
под действием конденсирующейся на нем серной кислоты. Конден-
сация кислоты происходит, когда температура клапана оказывается
ниже точки росы кислоты. Под действием кислотной коррозии на
стержне появляются типичные для этого процесса язвины.
Методом борьбы с коррозией является также уменьшение со-
держания в топливе натрия, для чего при сепарации топливо
следует промывать горячей водой, подаваемой в струю топлива
перед сепаратором. Вода, смешиваясь с топливом, растворяет со-
единения натрия и в ходе сепарации удаляется из него.
Для повышения ресурса выпускных клапанов используют при-
садки к топливам, в состав которых входит магний (табл. 7.1). К
числу таких присадок относится присадка Ameroid Mark-IV, пре-
пятствующая образованию на клапанах, головках поршней и ло-
патках газовых турбин отложений натрий-ванадиевых соединений
и тем самым уменьшающая их коррозию и выгорание. Входящий
в присадку магний при окислении образует окись магния Mg +
+ О MgO, температура плавления которого составляет 2800°С.
Продукты взаимодействия MgO с пятиокисью ванадия имеют бо-
лее низкие температуры плавления, но более высокие, чем на-
трий-ванадиевые соединения. Это позволяет большей части соеди-
нений ванадия в сухом виде покидать дизель вместе с продуктами
сгорания, а не прилипать к клапану и другим элементам, как это
происходит при более низких температурах плавления.
Гидродинамическая обработка. Обработка топлива произво-
дится с целью разрушения находящихся в нем структурных (аг-
регативных) систем и, таким образом, обеспечивает его очистку
только от твердой фазы, не удаляя при этом горючую часть —
смолы. При этом обеспечивается более длительная и эффектив-
ная работа сепараторов и фильтров.
Топливо, прошедшее гидродинамическую обработку, сгорает с
большей полнотой.
303
Система
Последствия приме-
нения топлива
Признак дефекта
Причина дефекта
Таблица 7.1
Рекомендуемые присадки
Топливные Шламообразова-
танки и система ние
перекачивания
Перегрузка сепара-
тора, загрязнение
фильтров, подогрева-
телей, закоксовыва-
ние отверстий распы-
лителей
Недостаточно ста-
бильные топлива, по-
лученные смешивани-
ем крекинг-продук-
тов с легкими фракци-
”BunkersoI-D", Vecom FOT-
NW, Perolin PFOT 622-DE,
Gamlen FOT; ЛЗ-ЦНИИМФ-
6—растворимые диспергаторы,
понижающие силы поверхнос-
ями; несов мести - тного натяжения тяжелых уг-
мость топлив леводородов, дис-
пергирующие структурные
системы; дозировка 1/4000—
1/10 000
Камера сгора-
ния
Эмульгирование
воды
Плохое сгорание,
эрозия распылителей,
интенсивное шламо-
образование
Обводнение при
перевозках, бункеров-
ке или хранении
Деэмульгаторы Drew
Ameroid Mark или Mark-IV,
дестабилизирующие эмуль-
сию воды в топливе и спо-
собствующие ее распаду;
дозировка 1/4000—1/8000
Высокотемпертур-
ная коррозия и
зольные отложения
Коррозия выпус-
кных клапанов и отло-
жения в турбоком-
прессорах и выпус-
кном тракте
Топлива с высоким
содержанием ванадия
и натрия
Vecom FOT-SA; D. А.
Mark-IV, Perolin 687-SD,
Amergize 2; металлоорга-
нические на базе магния и
редкоземельных элементов
присадки, в процессе сгора-
ния реагирующие с натрием
и ванадием, способ-
ствующие образованию золы
с высокой температурой
плавления, ухудшенной адге-
зией и не оказывающие
корродирующего воздействия
на выпускные клапаны; до-
зировка 1/4000—1/8000
305
Неполное
ние
егора-
Позднее
сгорание,
Плохое
качество
догорание в процессе топлива, длительная
расширения, нагаро-работа при понижен-
образование, боль- ных нагрузках
шой расход топлива,
повышенный износ
ЦПГ
Выпускная
система, утили-
зационные котлы
Неполное сгора-
ние, увеличение от-
ложений в выпус-
кном тракте
Ухудшение тепло-
передачи (требуется
частый сажеобдув),
возгорание отложе-
ний сажи в выпускной
системе, недоста-
точное парообразова-
ние
То же
Drew Ameroid М ark-II,
Amergize; ЛЗ-ЦНИИМФ-6,
металлоорганические при-
садки на базе Mg, активи-
зирующие реакции окисле-
ния и обеспечивающие бо-
лее полное сгорание; до-
зировка 1/400—1/8000
LT-Soot Release (Drew
Ameroid) — высокоактив-
ный катализатор, обеспечи-
вающий сгорание при низ-
ких температурах; дозиров-
ка 1—2 кг в сутки
Цилиндро- Низкотемпера-
поршневая груп-турная коррозия
па
Интенсивное изна-
шивание ЦПГ под
действием электрохи-
мической коррозии,
поверхностей нагрева
утилизационных кот-
Топлива с высоким
содержанием серы
D. A. Mark-IV, Amergize,
реагирующие с ванадием и
серой и противодей-
ствующие переходу SO2 в
SO3 и образованию H2SO4
лов
Магнитная обработка. Топливо обрабатывают с целью разру-
шения структурных (агрегативных) систем (обработка в перемен-
ном магнитном поле) или с целью ориентации молекул топлив
(или молекул присадок) в определенном направлении. В ряде
случаев магнитная обработка в переменном магнитном поле ис-
пользуется совместно с гидродинамической обработкой для уси-
ления гомогенизирующего (или диспергирующего) эффекта об-
работки топлива.
7.7. ТЕХНОЛОГИЯ И СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ ТОПЛИВ НА СУДНЕ
Традиционные технологии обработки. Технологические про-
цессы обработки топлив на судне состоят из трех этапов: предва-
рительной, основной и дополнительной.
В процессе предварительной обработки (рис. 7.7, а) мало- и
высоковязкое топлива, находящиеся в танках запаса, забирают-
ся перекачивающими насосами и подаются в отстойные цистер-
ны. Высоковязкое топливо в танке запаса перед перекачиванием
подогревают в танке системой подогрева. Перекачивающие насо-
сы взаимозаменяемы и в случае выхода из строя одного из них
перекачивание топлив осуществляется дублирующим.
Основную обработку топлива (рис. 7.7, б) выполняют с при-
менением его очистки от механических примесей и воды с по-
мощью гравитационных сил (отстаивание в отстойных цистер-
нах) и центробежных сил (центрифугирование .в сепараторах).
Маловязкое топливо отстаивается в отстойных цистернах и
затем поступает в сепаратор. После очистки в сепараторе очи-
щенное топливо поступает в расходную цистерну. Образовав-
шиеся при отстаивании шлам и вода и отсепарированные меха-
нические примеси и вода сбрасываются в грязевую цистерну,
расположенную под плитами машинного отделения.
Очистка от механических примесей и воды высоковязкого топ-
лива производится аналогичным образом. Отличие состоит в том,
что перед сепарацией топливо подогревают с целью снижения его
вязкости до значения, при котором очистка более эффективная.
Для этой цели предусматривается подогрев в подогревателях.
Очистка высоковязких топлив в сепараторах может осуществ-
ляться в режиме пурификации или кларификации в зависимо-
сти от содержания в топливе воды. Режим пурификации обес-
печивает непрерывное удаление из топлива воды и постепенное
накопление в барабане сепаратора механических примесей, вы-
брос которых в грязевую емкость производится периодически.
Режим кларификации предусматривает после очистки высоко-
вязкого топлива сепаратором в режиме пурификации дополни-
тельную очистку от оставшихся механических примесей, которые
306
Рис. 7.7. Традиционные принципиальные схемы обработки топлива:
/, 4 — танки запаса соответственно мало- и высоковязкого топлива; 2, 3 — перекачи-
вающие насосы; 5 — подогреватель танка высоковязкого топлива; 6, 10 — отстойные цис-
терны мало- и высоковязкого топлива; 7 — подогреватели топлива; 8, 9 — сепараторы ма-
ло- и высоковязкого топлива; 11, 22 — расходные цистерны мало- и высоковязкого топли-
ва; 12, 21— топливоподкачивающие насосы; 13, 18 — фильтры; 14 — насосы высокого дав-
ления; 15 — форсунки; 16, 17 — главный и вспомогательный дизели; 19 — циркуляцион-
ный насос; 20 — смесительная емкость-подогреватель; А, Б — в отстойные цистерны;
В, Г — в расходные цистерны
307
скапливаются в барабане и по мере заполнения его грязевой по-
лости выбрасываются в грязевую цистерну.
Трубопроводная обвязка подогревателей и сепараторов позво-
ляет при необходимости использовать подогреватель и сепара-
тор маловязкого топлива для очистки высоковязкого топлива.
Число подогревателей и сепараторов может варьироваться ис-
ходя из требований эффективности очистки топлив и надежной
эксплуатации.
Во время дополнительной обработки топлива непосредственно
перед подачей в цилиндры дизеля (рис. 7.7, в) мало- и высоко-
вязкое топлива из расходных цистерн поступают на дополни-
тельную обработку и подачу в цилиндры дизелей по отдельным
системам. В систему вспомогательных дизелей топливо топливо-
подкачивающим насосом (или самотеком) подается в фильтр, от-
куда насосом высокого давления через форсунку — на сгорание в
дизель.
В режиме пуска и реверсирования главного дизеля использу-
ется тоже маловязкое топливо. Из расходной цистерны оно насо-
сом подается в смесительную емкость-подогреватель, откуда
циркуляционным насосом прокачивается через фильтр и обратно
в подогреватель. При пуске и реверсировании главный дизель
работает на подогретом маловязком топливе.
С переходом на обычный эксплуатационный режим работы
подача маловязкого топлива прекращается и из расходной цис-
терны подается высоковязкое топливо по той же схеме, т. е. на-
сосом в смесительную емкость-подогреватель.
Постепенно в циркуляционной системе маловязкое топливо
замещается высоковязким, на котором и осуществляется режим
длительной работы главного дизеля в течение всего рейса. Перед
швартовкой судна в порту главный дизель снова переводится на
маловязкое топливо, для этого в циркуляционную систему пре-
кращают подачу высоковязкого топлива и начинают подачу ма-
ловязкого.
Для обеспечения нормальной работы топливной аппаратуры
(насосов высокого давления и форсунок) маловязкое топливо
должно подаваться в циркуляционную систему главного дизеля за-
благовременно (за 1 —1,5 ч до запуска и полной остановки дизеля).
Рассмотренная технология традиционной обработки топлив
решает задачу очистки их от механических примесей и воды. В
то же время эта технология не исключает применение химиче-
ской обработки топлива путем, например, ввода присадок непо-
средственно в танки запаса перед заполнением их топливом. Од-
нако при этом не достигается необходимая равномерность рас-
пределения присадок в топливной среде, а значит, снижается
эффект от их применения.
308
Новая технология обработки. Технология разработана с учетом
устранения недостатков, которые присущи традиционной техно-
логии обработки.
Недостатки традиционной предварительной обработки топ-
лива:
образование осадков в танках запаса, что требует их перио-
дической очистки (с выводом судна из эксплуатации) с помощью
промывочных химических препаратов и последующей регенера-
ции отходов;
разогрев высоковязких топлив требует длительного времени и
затрат тепловой энергии;
неравномерное распределение в топливной среде вводимых
непосредственно в танк многофункциональных присадок.
Новый способ предварительной обработки топлива (рис. 7.8, а)
представляет собой следующее. Высоковязкое топливо из танка
подается насосом в подогреватель. В поток подогретого топлива
с помощью дозатора из емкостей вводится композиция приса-
док. Топливо с присадками подвергается гомогенизации и на-
правляется обратно в танк запаса. Путем такой обработки и цир-
куляции осуществляются разогрев и химико-динамическая обра-
ботка топлива, что обеспечивает улучшение структурного (агре-
гативного) состояния и, таким образом, предотвращается образо-
вание осадков в танках запаса,
Применение такой обработки высоковязкого топлива позво-
ляет*. поддерживать танки запаса в чистом состоянии без отложе-
ний; сократить время разогрева топлива в 3—4 раза; ввести и
равномерно распределить в топливной среде композиции приса-
док, необходимых для эффективной последующей обработки то-
плива и его качественного (полного) сгорания при минимальном
образовании экологически опасных веществ.
По такой же схеме могут (при необходимости) обрабатываться
и маловязкие топлива. В схеме предварительной обработки пре-
дусматривается взаимозаменяемость танков запаса, для чего в
каждом из них имеется местный нагрев топлив.
Топлива, прошедшие предварительную обработку, направляются
в систему основной обработки, в которой нет отстойных цистерн.
Гомогенизация высоко вязких топлив производится гомогени-
заторами роторного, соплового и магнитно-соплового типов.
В роторном гомогенизаторе (рис. 7.9, а, б) клиновидные лопат-
ки ротора вращаются между такими же лопатками статора, в ре-
зультате чего находящееся в гомогенизаторе топливо
подвергается то сжатию, то разрежению. Когда лопатка ротора,
двигающаяся между двумя лопатками статора, расходится с по-
следними, давление в топливной среде резко падает и таким об-
разом создаются условия для возникновения кавитации. Это раз-
309
Рис. 7.8. Перспективные принципиальные схемы обработки топлива:
/, 9 — танки запаса соответственно мало- и высоковязкого топлива; 2 — система местного
подогрева топлива; 3, 8 — перекачивающие насосы мало- и высоковязкого топлива; 4 — ем-
кости хранения присадок; 5, 22 — дозаторы ввода присадок в топливо и воды; 6 — гомогени-
затор топлива; 7 — подогреватели высоковязкого топлива; 10 — сепаратор маловязкого топ-
лива; 11, 13 — расходные цистерны мало- и высоковязкого топлива; 12 — фильтры-гомоге-
низаторы высоковязкого топлива; 14, 21 — подкачивающие насосы мало- и высоковязкого
топлива; 15 — теплообменный аппарат; 16 - фильтр маловязкого топлива; 17— дизель-гене-
ратор; 18 — главный дизель; 19 — циркуляционный насос; 20 — смесительная емкость-по-
догреватель; А, Б — в системы основной обработки соответственно мало- и высоковязкого
топлива; В, Г— из систем предварительной обработки мало- и высоковязкого топлива;
Д, Е — в системы дополнительной обработки мало- и высоковязкого топлива
310
Рис. 7.9. Гомогенизаторы:
а, б — ротор и статор роторного гомоге-
низатора; в, г — магнитно-сопловые го-
могенизаторы соответственно с нерегу-
лируемым и регулируемым сечениями
сопловой полости; 1, 2 — лопатки ротора
и статора; 3 — сечение лопатки; 4, 11 —
электромагниты; 5 — сопло Лаваля; 6 —
тарелка; 7, 10 — корпус и седло клапа-
на; 8 — клапан; 9~ пружина
рушает структурные (агрегативные) системы в топливе, что и де-
лает его более гомогенным.
Сопловый и магнитно-сопловый гомогенизаторы устроены и дей-
ствуют аналогично, с той лишь разницей, что в конструкции маг-
нитно-соплового гомогенизатора предусмотрены электромагниты.
В этих гомогенизаторах разрушение структурных (агрегативных)
ЗП
систем топлив происходит под воздействием кавитации, возни-
кающей в расширяющемся сопле Лаваля при истечении струи.
Сопловый гомогенизатор с регулируемым сечением сопловой
полости позволяет поддерживать необходимую эффективность
обработки топлива при колебаниях давления в топливном трубо-
проводе.
В отличие от роторного гомогенизатора сопловый требует по-
вышенного давления в топливной системе (не ниже 1,8 МПа),
поскольку кавитационные процессы в расширяющемся сопле
Лаваля возникают при перепаде давлений на входе и выходе око-
ло 1,6 МПа.
Магнитно-сопловые гомогенизаторы (рис. 7.9, в, г) являются
наиболее эффективными, обеспечивая разрушение структурных
(агрегативных) систем в топливе при меньшем (чем в случае ис-
пользования сопловых гомогенизаторов) давлении в топливном
трубопроводе. Это достигается в результате воздействия на кави-
тацию в сопловом аппарате, а также критических скоростей ис-
течения и сил переменного магнитного поля. Синергетический
магнитно-динамический эффект является наиболее эффектив-
ным для повышения гомогенности высоковязких топлив и их
смесей.
Переменное магнитное поле не только усиливает процесс кави-
тации в сопле, но также путем воздействия на полярную часть
смол в структурных системах уменьшает сопротивление последних
кавитационному расйаду. Дополнительно к этому в магнитно-со-
пловом гомогенизаторе с регулируемым сечением сопловой полос-
ти даже при незначительных давлениях топлива под клапаном соз-
дается эффективная кавитационная зона в результате вибрации
клапана под воздействием переменного магнитного поля.
В качестве дозаторов ввода присадок в поток топлива исполь-
зуют поршневые насосы (насосы высокого давления топливо-
подкачивающих систем дизеля с поворотными плунжерами) или
шестеренные насосы с регулируемой частотой вращения.
Дозирующее устройство может подавать присадки поочеред-
но либо в виде композиций присадок. Количество подаваемых
присадок контролируют с помощью уровнемера любого принци-
па действия.
Трубопроводная система должна обеспечивать все варианты
взаимодействия насоса и подогревателя, т. е. последовательно
насос— подогреватель или, наоборот, подогреватель-насос.
Основная обработка топлива традиционной технологии имеет
следующие недостатки: в процессе центрифугирования высоко-
вязкого топлива вместе с твердой фазой (механическими приме-
сями) и водой в отходы переходят горючая часть топлива в виде
смол и его наиболее тяжелых компонентов; значительные энер-
312
гозатраты на центрифугирование как маловязкого, так и высоко-
вязкого топлив.
В целях устранения указанных недостатков, а также с учетом
разработок по созданию принципиально новых фильтрацион-
ных установок (самоочищающихся фильтров-гомогенизаторов)
и применению в дизелях водотопливных эмульсий представляет-
ся целесообразным отказаться от использования для обработки
высоковязких топлив центрифугирования, заменив его фильтра-
цией. Что касается маловязкого топлива, то при его основной
обработке не имеет смысла отказываться от центрифугирования,
поскольку очистка этого вида топлива от механических примесей
не сопровождается потерей горючей части. Кроме того, из мало-
вязкого топлива следует удалять воду, поскольку сжигание его с
введенной водой в виде ВТЭ проблематично.
С учетом изложенного разработан и предложен новый процесс ос-
новной обработки топлива на судах (рис. 7.8, б). Поступающее после
предварительной обработки высоковязкое топливо подогревается в
подогревателе, затем подается на очистку в фильтр-гомогенизатор, где
из него удаляются механические примеси (только твердая фаза топлива).
В фильтре-гомогенизаторе (рис. 7.10) пружинные тарелки
компонуются таким образом, что образуется щель для очистки
топлива от механических примесей. Топливо на очистку посту-
пает снаружи фильтрующего пакета, а очищенное топливо выхо-
дит из фильтра-гомогенизатора через отверстия в крышке. По
мере работы фильтрующего пакета снаружи каждой пары таре-
лок на входе топлива скапливаются топливные загрязнения
(твердая фаза, смолы). Для очистки щелей пакетов каждый из
них поочередно переключают на режим очистки путем подачи
Выход очищенного топлива
Рис. 7.10. Фильтр-гомоге-
низатор:
J — корпус; 2 — крышка; J —
фильтрующий пакет пружин-
ных тарелок; 4 — пружинная
тарелка
Л-4
313
под давлением топлива в обратном направлении. В этом случае
пружинные тарелки, образующие щель, изгибаются, раскрывая
последнюю для очистки. Поскольку на периферии щель расши-
ряется, образуя сопловую полость, в ней возникает при истече-
нии топлива кавитация, т. е. создаются условия для разрушения
образовавшихся загрязнений и в результате — для очистки всего
фильтрующего пакета. Таким образом, каждый фильтрующий
пакет попеременно работает как гомогенизатор. В процессе ра-
боты фильтра-гомогенизатора твердая фаза (механические при-
меси) скапливается в предусмотренной для этой цели грязевой
полости, которую периодически очищают. Прошедшее очистку
топливо поступает в расходную цистерну и далее в систему до-
полнительной очистки непосредственно перед дизелем.
В процессе дополнительной обработки высоковязкого топлива
(рис. 7.8, в) в отличие от традиционной схемы предусматривают-
ся ввод воды и приготовление с помощью гомогенизатора водо-
топливной эмульсии, которая и подается в циркуляционную сис-
тему повышенного давления. ВТЭ подогревается в смесительной
емкости-подогревателе и далее подается в главный дизель.
Системой дополнительной обработки предусмотрена работа
вспомогательных дизелей и на вязком топливе, подаваемом из
циркуляционной системы главного дизеля.
7.8. ПРИГОТОВЛЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТОПЛИВНЫХ СМЕСЕЙ
И ВОДОТОПЛИВНЫХ ЭМУЛЬСИЙ
Причины использования и состав топливных смесей. Рост цен на
тяжелые топлива при одновременном увеличении разницы в ценах
тяжелых и дистиллятных топлив потребовал поиска путей экономии
последних. Основными потребителями дизельных топлив на судах
ранней постройки являются средне- и высокооборотные двигатели,
как правило, не приспособленные к работе на тяжелых топливах.
На современных судах устанавливают дизель-генераторы, конструк-
цией которых предусмотрено использование средневязких и более
тяжелых топлив. Но часто эта возможность не используется из-за
отсутствия на бункеровочных базах необходимых по вязкости и по
другим показателям топлив, что вынуждает применять более доро-
гое дизельное топливо. Подобные ситуации могут быть исключены,
если оснастить суда смесительными устройствами, позволяющими
приготавливать непосредственно на судне топливные смеси с зара-
нее заданной вязкостью, используя для этого тяжелое топливо глав-
ного дизеля и в небольших количествах — дизельное топливо.
Элементарный расчет, произведенный для дизель-генератора,
работающего в течение года 8000 ч со среднегодовой мощно-
стью 500 кВт, показывает, что ориентировочная стоимость сож-
314
женного за год топлива составит, ам. дол.: дистиллятного МДО —
99 060, смеси, соответствующей IFO-30, — 76 330, смеси, соот-
ветствующей IFO-60, — 71 930.
Выигрыш в расходах на топливо при использовании смеси
IFO-30 составляет 22130 ам. дол., если же использовать более тя-
желую смесь, то он увеличивается до 27130 ам. дол. Однако в
этих цифрах не учитываются возрастающие с переходом на более
тяжелую смесь расходы на эксплуатацию дизеля. В общем случае
полный экономический эффект от перевода двигателей на сме-
си топлив определяется разностью: экономия в стоимости топ-
лив — рост затрат на эксплуатацию.
Смеси топлив с заранее заданной вязкостью могут быть получены
смешиванием легких и тяжелых компонентов в необходимых пропор-
циях, устанавливаемых с помощью диаграммы (рис. 7.11). Для этого
на левой оси ординат отмечается точка А, соответствующая вязкости
тяжелого компонента, на правой оси — точка В, соответствующая
вязкости легкого компонента. Точки А н В соединяют прямой
линией, из точки пересечения которой с горизонталью, соответст-
вующей требуемой вязкости смеси, восстанавливают перпендикуляр.
Точка пересечения перпендикуляра с верхней абсциссой покажет
процентное содержание легкого компонента, а с нижней абсцис-
сой — тяжелого. Не следует упускать из виду, что при смешивании
меняются не только вязкость, но и остальные показатели качества
смешиваемых топлив: содержание серы, ванадия, коксовое число,
плотность и др. И это обстоятельство также используют, когда необ-
ходимо понизить содержание в топливе того или иного компонента.
Приготовление топливных смесей. Смеси дизельных и вязких
остаточных топлив могут быть приготовлены как на бункеро-
вочных базах с помощью специальных смесительных устройств,
так и непосредственно на судне. Для получения смеси исполь-
зуют простейшие средства в виде завихряющего конуса или
струйного смесителя с последующим многократным прокачива-
нием ее по замкнутому контуру насос—цистерна—насос.
Приготовленная смесь должна иметь мелкодисперсную гомо-
генную структуру и быть стабильной, т. е. сохранять свою струк-
туру в течение достаточно длительного времени ее хранения до
момента использования в дизеле. Потеря стабильности выража-
ется в образовании и выпадании на дно цистерн асфальтеновых
конгломератов, ухудшающих распыливание и сгорание смеси в
цилиндрах, интенсивно загрязняющих фильтры тонкой очистки,
что в конечном счете может привести к остановке дизеля.
Основная причина потери стабильности — несовместимость
смешиваемых компонентов топлив (см. п. 6.1), поэтому крайне
важно перед смешиванием проверить топлива на совмести-
мость. Вторая причина — структура и продолжительность хране-
315
Низкобязкий компонент, %
30
ЦО_____50_____60
80.
ЦО
50
60
20-1
20
-200
О
ЦО
50~
-50
60
ЧОО
100
100
-1000
150
1000-
^100
1
X
высонобязкий. компонент, %
18
20
А
5000
^200
300
-80
z. 90
F 100
60 50 ЦО
39
35
36
37
38
,39
' 5О_(Ш
20 10 1800
& 30
§ 50
80
ТОО
Рис. 7.11. Номограмма для определения соотношения компонентов смешивае-
мых топлив по заданной вязкости
-200Х
=300^
WO
500
1000-L
v-30
120
1801
—Z80
-2000
л
---1
6000
Ж
_ 380
ния смеси. Значительно улучшить структуру можно, используя
специальные смесители статического или динамического типа.
В статическом смесителе потоки смешиваемых топлив делятся на
отдельные струи и перемешиваются при изменении направления
течения струй. Типичным примером статического смесителя является
смеситель SMX фирмы "Зульцер" (рис. 7.12). Смеситель состоит из
заключенных в корпус последовательно соединенных право- и лево-
316
Рис. 7.12. Статический смеситель топлив SMX Зульцер
сторонних спиралей, вдоль которых протекают легкое и тяжелое топ-
лива. Для создания гомогенной смеси необходимо, чтобы при прохо-
ждении через смеситель топливо совершило 2000—4000 оборотов.
В смесительной установке со статическим смесителем, рабо-
тающей в автоматическом режиме и обеспечивающей возможность
приготовления и подачи смеси непосредственно в дизели, минуя
расходную цистерну, существенно сокращается время нахождения
смеси в системе (рис. 7.13). Тяжелое и дизельное топлива из рас-
ходных цистерн поступают к винтовым насосам. Насос 5 дизель-
ного топлива снабжен электроприводом с регулируемой частотой
вращения, что позволяет при необходимости менять его подачу.
Из насосов топлива подаются в статический смеситель, откуда
смесь одним из бустерных насосов 9 подается в подогреватель. На
выходе подогревателя установлен конденсационный горшок.
Температура топлива измеряется датчиком, сигнал которого
сравнивается с уставкой электронного регулятора 7уст, соответст-
вующей соотношению компонентов смеси, при котором должна
быть обеспечена необходимая вязкость. Если заданная вязкость
смеси обеспечивается при температуре, отклоняющейся от Туст, это
является свидетельством нарушения в соотношении компонентов
смеси (либо в изменении их начальной вязкости). Тогда электрон-
ный регулятор выдает сигнал на увеличение или уменьшение часто-
ты вращения вала насоса дизельного топлива. Подача насоса меня-
ется до тех пор, пока Достигаемая благодаря этому корректировка
смеси не обеспечит Т = 7уст. Цель корректировки состоит в том,
чтобы заданная вязкость обеспечивалась при заданной температуре.
После фильтров топливо поступает к дизелям. Лишнее топли-
во из дизелей направляется в деаэратор, снабженный поплавко-
вым клапаном для выпуска газов, направляемых в расходную
цистерну. Из деаэратора смесь поступает на всасывание бустер-
ных насосов, где с помощью клапана поддерживается давление
0,1 МПа. При превышении давления (большой возврат от ДГ)
излишняя часть смеси сбрасывается на прием к насосу тяжелого
317
топлива 6. Это приводит к изменению соотношения тяжелого и
дизельного топлив в смесителе и за ним, что в свою очередь
фиксируется датчиком и регулятором температуры. Температура
топлива уменьшается и становится ниже заданной 7уст. Это яв-
ляется свидетельством того, что потребность в дизельном топли-
ве уменьшается. Регулятор частоты вращения уменьшает частоту
вращения вала насоса дизельного топлива и его подачу до тех
пор, пока не будет достигнут желаемый состав компонентов. В
Рис. 7.13. Смесительная установка МСМ-20 Imo-Marine:
1, 2 — цистерны соответственно тяжелого и дизельного топлив; 3, 5, 6, 9 — насосы; 4 -
деаэратор; 7 — клапан; 8 — статический смеситель; 10— фильтры; 11 — датчик температу-
ры; 12 — подогреватель; 13 — конденсационный горшок
318
установке предусмотрены байпасные трубопроводы для насоса
5, подогревателя и фильтра, что позволяет использовать бустер-
ные насосы для подачи в дизели чистого дизельного топлива с
помощью отдельного насоса 3.
Известно, что при снижении нагрузки на дизель качество процес-
сов распиливания и сгорания топлива ухудшается, так как снижаются
среднее давление впрыска и давление наддува, а также температура в
камере сгорания, поэтому крайне желательно, чтобы состав смеси
при достижении нагрузки 30—40 % и менее облегчался, а при нагруз-
ках, близких к холостому ходу, дизель переходил на работу на чистом
дизельном топливе. На этом же топливе желательно останавливать и
пускать дизели. В рассматриваемой установке такая возможность пре-
дусмотрена: в электронный регулятор состава смеси подается сигнал
от установленного на двигатель датчика нагрузки.
Действие динамического смесителя основано на турбулизации
потоков и использовании кавитационных явлений, возникающих
вследствие создаваемой смесителем высокочастотной пульсации
струй смешиваемых топлив. Динамические смесители обеспечи-
вают более высокую гомогенность.
Для динамического смешивания топлив применяют гидроди-
намические сирены. Последняя состоит из размещенных в кор-
пусе подвижного и неподвижного дисков с прорезями. При вра-
щении ротора с частотой 3000 об/мин струи топлива продавли-
ваются через узкие прорези статора. Частота возникающих при
этом колебаний составляет 3,6—7,2 кГц. Но в сирену нужно по-
давать предварительно смешанное топливо.
Применение водотопливных эмульсий. При анализе требований,
предъявляемых к очистке топлив, отмечалось, что с переходом от
маловязких топлив к более тяжелым, в состав которых входят тя-
желые остаточные фракции, являющиеся хорошими естественны-
ми эмульгаторами, возникли определенные трудности в отделе-
нии воды. Ранее считалось, что наличие воды в топливе представ-
ляет определенную коррозионную опасность прежде всего для то-
пливной аппаратуры. Это находило подтверждение в эксплуата-
ции, особенно когда двигатели работали на дизельных сернистых
топливах, для которых характерно присутствие меркаптановых со-
единений серы, вызывающих особенно интенсивную коррозию
прецизионных пар насосов и форсунок при обводнении топлива.
Вода сама по себе коррозионно-активна, если контактирует с
незащищенными металлическими поверхностями. В дизельных и
прямогонных маловязких топливах асфальтосмолистые соедине-
ния содержатся в небольших количествах, поэтому их недоста-
точно для создания защитного сольватного слоя вокруг всех гло-
бул содержащейся в топливе воды. В современных тяжелых топ-
ливах эти соединения содержатся в избытке, поэтому непосред-
319
ственныи контакт воды с металлическими поверхностями ис-
ключен — все глобулы воды "одеты" в оболочку из смол и ас-
фальтенов. В этом, а также в отсутствии в тяжелых топливах
меркаптанов кроются причины отмечаемого понижения требова-
ний к содержанию воды в широко используемых тяжелых топли-
вах. Более того, наличие воды в топливах, правда, в строго дози-
рованных количествах и в мелко раздробленном состоянии при-
знано даже полезным. Исследованиями было установлено, что
введение воды в цилиндры дизеля способствует совершенствова-
нию сгорания (улучшение смесеобразования, каталитическое
действие ионов водорода), снижению токсичности, выпуска,
температур рабочего тела и теплонапряженного состояния, чис-
тоте цилиндров. Наиболее эффективный путь введения воды в
цилиндры состоит в примешивании ее к топливу, с которым она
с помощью естественных или специально вводимых в топливо
эмульгаторов образует достаточно стабильную ВТЭ.
Водотопливная эмульсия представляет собой дисперсную сис-
тему, состоящую из мелких капель воды (дисперсной фазы), рас-
пределенных в топливе (дисперсионной среде). Исследования по-
казали, что нет необходимости добиваться столь высокой дисперс-
ности в процессе приготовления эмульсии. Важно лишь после
введения воды обеспечить такой размер глобул, чтобы эмульсия
была стабильной и вода не отделялась в подогревателях, фильтра-
тах и других элементах топливной системы, а дальнейшее диспер-
гирование ВТЭ происходит в ТНВД и форсунках, и в цилиндры
дизеля она поступает, имея значительно меньший размер глобул.
Как отмечалось, ВТЭ представляет собой систему, состоящую
из капель воды с температурой кипения при атмосферном давле-
нии 100°С и окружающих их тяжелых фракций топлива, которые
выкипают при 350—450°С. Капли ВТЭ, попавшие в камеру сгора-
ния, быстро прогреваются, и благодаря большой разнице в темпе-
ратурах кипения находящаяся внутри капель вода первая перехо-
дит в парообразное состояние. В итоге из жидких капель обра-
зуются пузырьки пара, окруженные оболочкой из смол и асфаль-
тенов топлива, обладающих наихудшей способностью к сгоранию.
Из оболочки испаряются легкие фракции, она растягивается под
действием растущего внутреннего давления пара, что приводит к
ее утоньшению и ослаблению. В ходе дальнейшего прогревания
наступает момент, когда внутренние силы действия паров воды
преодолевают силы поверхностного натяжения, и оболочка рвется.
Происходит микроразрыв капли, частицы оболочки разлетаются в
стороны, диффундируя в массу окружающего их воздуха. В итоге
интенсифицируются прогрев и испарение наиболее тяжелых со-
ставляющих топлива, улучшается смесеобразование, что способст-
вует ускорению и более полному завершению реакции сгорания.
320
Вода играет также положительную роль в кинетике химиче-
ских реакций окисления углеводородов топлива. Увеличение со-
держания воды в ВТЭ способствует росту скорости распростра-
нения пламени до определенного предела, пока каталитический
эффект воды превышает ее отрицательное воздействие на темпе-
ратуру в зоне реакции. Последнее обусловливается затратами те-
плоты на испарение глобул воды. С увеличением содержания во-
ды в топливе эти затраты растут и их влияние на развитие окис-
лительных процессов и снижение температуры рабочего тела ста-
новится ощутимым. Отсюда следует, что для каждого дизеля, ре-
жима его работы, сорта топлива должно существовать свое опти-
мальное соотношение вода—топливо, нарушение которого может
привести к отрицательным результатам.
К отрицательным факторам относится также увеличение
впрыскиваемой в цилиндр суммарной дозы топлива и воды, что
обусловливает увеличение цикловой подачи, а это связано с не-
желательным увеличением ее продолжительности. Поэтому на
оптимальное соотношение вода—топливо влияет и этот фактор.
Влияние ВТЭ на эксплуатационные показатели дизеля. Большая
часть работ по ВТЭ относится к ее использованию в средне- и высо-
кооборотных дизелях. При этом в качестве базового топлива исполь-
зовались дизельное и моторное топлива. Общий итог положителен,
экономия в расходе топлива составляла 2—3% на номинальной мощ-
ности, увеличиваясь до 5—7% с переходом на частичные нагрузки.
Содержание воды в топливе поддерживалось в диапазоне 15—20%.
Применение ВТЭ в малооборотных дизелях, работающих на
тяжелых топливах, дало следующие результаты. Работа дизеля
MAH К9 Z70/120E на эмульгированном тяжелом топливе вязко-
стью 180 мм2/с дала экономию 3,5—4% при оптимальном соот-
ношении воды с топливом 10%.
Работа среднеоборотного двигателя Пилстик 16PC2V на топ-
ливе вязкостью 180 мм2/с и плотностью 987 кг/м3 при содержа-
нии воды 12% показала снижение удельного расхода на 3%. Ин-
тересно отметить, что при ходе с балластом выигрыш в расходе
топлива увеличился до 4,6—4,9%. Этот результат является зако-
номерным, так как снижение нагрузки, а с ней и скоростного
режима дизеля обычно сопровождается ухудшением смесеобра-
зования и сгорания топлива. В таких условиях следует ожидать
более полного проявления эффекта от микровзрывов и катали-
тического действия диспергированной в топливе воды. Там же,
где процесс сгорания протекает с достаточно высокими скоро-
стями и продукты неполного сгорания практически отсутствуют,
трудно ожидать еще большего совершенства от замены сухого
топлива на ВТЭ. Иными словами, эффективность ВТЭ находит-
ся в прямой зависимости от степени совершенствования процес-
11 Зак. 1596
321
сов смесеобразования и сгорания. Там, где существуют опреде-
ленные трудности в их должной организации (использование тя-
желых медленно сгорающих топлив, плохое их распыление, не-
достаток времени на сгорание и пр.), следует ожидать более ощу-
тимого эффекта от применения ВТЭ.
Благодаря отмечаемому во всех опытах с ВТЭ более полному
сгоранию топлива и газификации сажи существенно: уменьшает-
ся нагарообразование в цилиндрах и в выпускном тракте дизеля.
Так, эксплуатационные испытания дизеля 8ТАД36 на ВТЭ на ба-
зе мазута Ф-5 показали снижение нагара на 43%, прекратилось
коксообразование на распылителях форсунок, нагар в ЦПГ стал
более рыхлым и легко удаляемым. Это позволило продлить ре-
сурс между вскрытиями ЦПГ с 4 тыс. до 7 тыс. ч. Эксплуатация
дизеля 520МТВН30 на ВТЭ (50% смеси мазута Ф-5 с дизельным
топливом) показала, что с увеличением содержания воды с 10 до
20% количество образующегося нагара уменьшается в 2,2 раза.
Снижение нагарообразования, сохранение цилиндров и выпу-
скного тракта чистыми в течение длительного времени работы
дизеля даже на тяжелых топливах составляют основное преиму-
щество ВТЭ. Опыт показал, что выигрыш в экономичности не
всегда достигается, особенно в новых дизелях, приспособленных
к работе на тяжелых топливах, а снижение нагарообразования,
более рыхлая, пористая структура нагара отмечаются во всех
случаях применения ВТЭ1.
7.9. ПОДАЧА ТОПЛИВА К ДИЗЕЛЯМ
Подсистема обеспечивает дизели топливом, прошедшим пред-
варительную обработку, в необходимых количествах и в состоя-
нии, при котором достигается наиболее полное и эффективное
его сгорание. В подсистеме тяжелого топлива (см. рис. 7.1, я)
предварительно очищенное топливо хранится в расходной цис-
терне, оборудованной змеевиком подогрева и указателем нижне-
го уровня. Очищенное дизельное топливо находится в расход-
ной цистерне (см. рис. 7.1, б), из которой подводится к трехходо-
вому клапану и далее к циркуляционным топливным насосам
главного дизеля. К дизель-генераторам топливо поступает непо-
средственно из расходной цистерны. К трехходовому клапану И
поступает также тяжелое топливо, что позволяет путем измене-
ния положения клапана переходить с одного топлива на другое.
'О влиянии ВТЭ на снижение в выпускных газах дизеля содержания эколо-
гически вредных компонентов см. в гл. 11.
322
Дизельное топливо в главных мало- и среднеоборотных дизе-
лях используют исключительно для промывки системы тяжелого
топлива перед длительной стоянкой, а также иногда при пусках
и маневрах. В связи с возможностью применения топлив с высо-
кой температурой застывания, а также высокой вязкостью все
трубопроводы системы подачи оборудованы паровыми или элек-
трическими спутниками.
В рассматриваемой системе после подкачивающих насосов то-
пливо направляется в бустерную цистерну, называемую также
смесительной, так как в ней при переходе с одного вида топлива
на другой происходит смешение топлив — горячего тяжелого и
относительно холодного (неподогреваемого) дизельного. Состав
смеси по мере вырабатывания оставшегося в системе топлива
постепенно меняется, и в конце переходного периода система
переходит на работу на том топливе, на которое был осуществ-
лен перевод.
При резком переходе с холодного топлива на горячее не ис-
ключено заклинивание плунжерных пар ТНВД. Наличие в цис-
терне свободного уровня топлива и ее связь с атмосферой (этой
цели обычно служит переливная труба, ведущая в расходную
цистерну) обеспечивают вывод из системы растворенного в топ-
ливе воздуха и газообразных продуктов его испарения. Наконец,
через бустерную цистерну осуществляется рециркуляция топли-
ва по контуру цистерна—подогреватель-дизель—цистерна. Это
необходимо при существенном сокращении потребления топлива
дизелем (переход на малый ход) или прекращении потребления
(остановка), так как, если в этих условиях тяжелое топливо не
подогревать и не прокачивать по системе, то оно, несмотря на
наличие паровых спутников, может в трубах застыть и потерять
подвижность. Если этого не произойдет, то в любом случае по-
следующий пуск дизеля будет происходить на топливе, приоб-
ретшем благодаря охлаждению более высокую вязкость. Возмож-
ные последствия: ухудшение пусковых свойств, повреждение
ТНВД и их привода.
В дизельных установках судов постройки последних лет в связи с
утяжелением топлива и вызванной этим необходимостью их подог-
рева до 140—150 °C устанавливают подкачивающие насосы, подни-
мающие давление в рециркуляционной цистерне до 0,4 МПа. Цис-
терна снабжена расположенным в ее верхней части перепускным
клапаном, через который газы, образовавшиеся в циркуляцион-
ном контуре, стравливаются обратно в расходную цистерну. В
ранних конструкциях, работавших без предварительного под-
качивания топлива, смесительные цистерны сообщались с атмо-
сферой и продукты газификации топлива выпускались непосред-
323
11*
ственно в атмосферу, что было сопряжено с опасностью возник-
новения пожара и потерей легких фракций топлива.
За смесительной цистерной установлены циркуляционные насо-
сы, задача которых обеспечивать циркуляцию топлива в контуре то-
пливоподачи и создавать в нем давление, обычно поддерживаемое с
помощью редукционного клапана на уровне 0,3—0,5 МПа, а при
сжигании топлива вязкостью 300—700 мм2/с давление рекомен-
дуется поднимать до 0,7 МПа. Наличие давления в системе, не-
смотря на высокую температуру подогрева топлива, способству-
ет уменьшению газообразования. Газообразование, особенно пе-
ред ТНВД дизеля, может привести к срывам в подаче топлива в
цилиндры, нестабильности рабочего процесса и самопроизволь-
ной остановке дизеля.
Важным моментом в подготовке топлива к сжиганию, являет-
ся обеспечение необходимой вязкости. Если для дизельных топ-
лив необходимость в подогреве для снижения вязкости отпада-
ет, то для тяжелых топлив предварительный подогрев в паровых
или электрических подогревателях является обязательным усло-
вием их подготовки, так как только этим путем можно достиг-
нуть требуемой вязкости. Влияние вязкости и сжимаемости на
характеристику впрыска в зависимости от конструкции топлив-
ной аппаратуры различно, но во всех случаях оно в той или иной
мере отражается на качестве распыливания и последующего сго-
рания топлива. Вязкость, определяемая силами внутреннего сце-
пления топлива, и силы его поверхностного натяжения оказы-
вают непосредственное влияние на распад вытекающей из фор-
сунки струи топлива. Эти силы стремятся удлинить сплошную
часть струи и тем самым сохранить ее целостность, поэтому с их
увеличением (а это возможно при снижении температуры топли-
ва) длина сплошной части струи растет, а тонкость распылива-
ния снижается.
Опытным путем установлено, что оптимум вязкости топлив
для дизелей лежит в пределах 12—20 мм2/с, для форсунок котлов
может быть допущена вязкость 20—26 мм2/с. Эти значения вяз-
кости и должны быть обеспечены соответствующим подогревом
топлива перед его использованием. Контроль за заданной вязко-
стью и управлением подогревателем осуществляет встраиваемый
в систему топливоподачи автоматический регулятор вязкости —
вискозиметр. За ним устанавливают фильтры тонкой очистки с
тонкостью отсева 6—15 мкм.
Чтобы предотвратить остывание топлива в системе топливо-
подачи, все трубы изолированы и снабжены паровыми спутника-
ми или обвиты электронагревательными элементами, а смеси-
тельная цистерна снабжена паровым змеевиком. Кроме того,
324
при кратковременной остановке двигателя циркуляционные
насосы должны продолжать работать, поддерживая циркуля-
цию горячего топлива в замкнутом контуре (см. рис. 7.1, а):
цистерна 13 — насосы 14 — подогреватель 15 — фильтры 16 —
дизель 17 — цистерна 13. Лишь при длительной стоянке цир-
куляционные насосы останавливают, но предварительно сис-
тема топливоподачи должна быть освобождена от тяжелого
топлива путем предварительного переключения на работу на
дизельном топливе. Однако при смешивании в рециркуляци-
онной цистерне дизельного и тяжелого топлив (а оно неиз-
бежно в первое время после переключения) возможна потеря
стабильности смеси, обусловленная несовместимостью топ-
лив, как правило, происходящая, если они содержат оста-
точные продукты крекинг-процессов. Потеря стабильности
выражается в расслоении смеси и выпадании асфальтеновых
агломератов в шлам. Это может вызвать интенсивное лако- и
нагарообразование в топливной аппаратуре, задир прецизион-
ных элементов, плохое сгорание и загрязнение выпускного
тракта. Чтобы избежать этих явлений, в современных двигате-
лях предусмотрена возможность работы на тяжелых топливах
не только на режимах полного хода, но и на частичных режи-
мах, при пусках и маневрах. Лишь при длительной стоянке
(более 5 сут) или при ремонтных работах рекомендуется пере-
ходить на дизельное топливо и останавливать насосы.
Переводить дизель с топлива одного сорта на другой следует
осторожно, предварительно снизив его нагрузку до 75% полной.
При переходе с дизельного топлива на тяжелое дизельное топливо
необходимо постепенно, со скоростью 2 °С/мин подогреть до
60—80°С. При этом во избежание заклинивания прецизион-
ных элементов топливовпрыскивающей аппаратуры вязкость
топлива не должна упасть ниже 2 мм2/с. Температура тяжело-
го топлива в расходной цистерне должна снижаться, и к мо-
менту переключения она не должна быть выше температуры
дизельного топлива более чем на 25°С (60—80°С). При перехо-
де с тяжелого топлива на дизельное необходимо перекрыть
пар на подогреватель и, когда температура топлива в нем упа-
дет до значения, превышающего температуру дизельного топ-
лива в расходной цистерне на 25°С, переключить клапан на
подачу в систему дизельного топлива. Если температура ди-
зельного топлива была ниже 50°С, его-необходимо предвари-
325
тельно подогреть. При наличии рециркуляционной цистерны
нагрузка дизеля при смене топлива может не снижаться.
В процессе эксплуатации системы топливоподачи нужно
следить за уровнем топлива и температурой в расходных цис-
тернах, периодически спускать из отстойных и расходных
цистерн отстой, чтобы не допустить попадания отстоявшейся
воды и шлама в систему. Необходимо следить за чистотой
фильтров по перепаду давления в них и за плотностью всех
элементов системы, не допуская даже небольших протечек то-
плива, так как это вызывает потерю топлива, а главное — мо-
жет явиться причиной пожара.
Глава 8
МОТОРНЫЕ МАСЛА
8.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ФУНКЦИИ МАСЕЛ
Применяемые на судах масла подразделяют на моторные (цилинд-
ровые для тронковых дизелей, системные, или циркуляционные для
крейцкопфных дизелей), масла для вспомогательных механизмов и
устройств (турбинные, трансмиссионные, компрессорные, для холо-
дильных машин, гидравлические и консистентные смазки).
Основные функции масел сводятся к обеспечению надежной
работы узлов трения, уменьшению трения и вызываемого им из-
носа; предотвращению износа во всех иных его формах; удалению
из зоны трения загрязняющих элементов; охлаждению путем отво-
да теплоты от трущихся поверхностей; обеспечению плотности в
зоне кольцевого уплотнения поршней; предотвращению коррозии.
Для удовлетворения перечисленных функций и обеспечения
высоких эксплуатационных свойств в современные масла вво-
дятся высокоэффективные композиции присадок:
антифрикционные присадки снижают износ, повышают спо-
собность масляной пленки противостоять высоким нагрузкам,
предотвращая появление задиров;
антиокислители предназначены для снижения скорости про-
цессов окисления и окислительной полимеризации масел при
высоких температурах;
антикоррозионные присадки обладают щелочными свойства-
ми, благодаря которым нейтрализуют сильные кислоты, обра-
зующиеся при сгорании сернистых топлив;
дисперсанты удерживают сажу и другие нерастворимые мате-
риалы в мелкодисперсном взвешенном в масле состоянии и тем
самым предотвращают их выпадание в виде шлама или образова-
ние лаковых и нагарных отложений;
депрессоры обеспечивают текучесть масла при низких темпе-
ратурах;
противопенные присадки препятствуют образованию пены.
Присадки вводят в базовую основу масла, для приготовления
которой обычно используют дистиллятные нефтепродукты (ней-
тральные компоненты), взятые из верхней и средней частей дис-
327
тилляционной колонны и соответствующим образом обработан-
ные. Для достижения вязкости, соответствующей классу 40—50
(SAE-40 и -50) и более высокому, отдельные компании, в том
числе нефтеперерабатывающие заводы России, к нейтральным
компонентам добавляют небольшие количества остатков, взятых
из донной части дистилляционных колонн (брайтсток).
От основы зависят такие важные свойства масел, как вяз-
кость, вязкостно-температурная характеристика, термическая
стабильность, стойкость к окислению и испаряемость (ле-
тучесть).
8.2. СВОЙСТВА МАСЕЛ
Условия работы и требования к маслам. В судовых дизелях
масла работают далеко в неодинаковых условиях, определяемых
различиями в уровне форсировки рабочего процесса дизелей, их
быстроходности, конструкции, характеристик используемого то-
плива и условий эксплуатации. Существенно различны условия
работы масел в цилиндрах и узлах трения КШМ. Все это опреде-
ляет различие требований к маслам, используемым в мало- и
среднеоборотных дизелях, а также для смазывания цилиндров
или в циркуляционных системах.
Масла, используемые в двигателях, должны обладать сле-
дующими свойствами:
антифрикционными, обеспечивающими минимальные поте-
ри на трение и способность противостоять высоким давлениям
в трущихся элементах;
стабильными вязкостью и вязкостно-температурной характе-
ристикой, малой испаряемостью;
высокой сопротивляемостью окислению и стабильностью
при высоких температурах;
детергентным и диспергирующим, обеспечивающими поддер-
жание двигателя в чистом состоянии;
антикоррозионными, предотвращающими коррозию подшипни-
ковых сплавов, шеек валов и других полированных поверхностей.
Кроме того, масла должны обладать резервом щелочности,
достаточным для нейтрализации минеральных кислот, обра-
зующихся при сгорании сернистых топлив.
Антифрикционные (противоизносные) свойства. Работа судо-
вых двигателей и механизмов в той или иной мере сопряжена с
трением сопрягаемых поверхностей, и одна из основных задач
используемых в них масел состоит в уменьшении сил трения и
соответственно изнашивания трущихся поверхностей. Создатели
механизмов стремятся обеспечить наиболее благоприятный ре-
жим трения — гидродинамический, при котором взаимное
328
скольжение трущихся поверхностей происходит в слое масла и
сила трения в основном определяется его вязкостью.
Вязкость. Этот один из важнейших показателей определяет
свойство масла сопротивляться относительному движению (сдви-
гу) его частиц, обусловливающее появление силы внутреннего
трения между слоями жидкости, если последние имеют раз-
личные скорости движения.
При оценке вязкости нефтепродуктов обычно используют
коэффициент кинематической вязкости и, связанный с дина-
мической вязкостью ц соотношением о = р/р и выражаемый
единицей мм2/с (сСт).
Для моторных масел кинематическая вязкость задается при
100°С, но поскольку она в большой степени зависит от темпера-
туры и зависимость эта для разных масел различна, стандарты
обычно дополняются значениями вязкости при 50°С, либо в них
приводится отношение кинематических вязкостей при этих темпе-
ратурах, либо указывается индекс вязкости — эмпирический пока-
затель, характеризующий скорость изменения вязкости масла в за-
данном диапазоне температур. Низкий ИВ свидетельствует об от-
носительно большом изменении вязкости с изменением темпера-
туры, а высокий — о малом изменении. Масла, приготовленные
на парафиновой основе, характеризуются пологой зависимостью
вязкости от температуры и их индекс вязкости 100—155. Для ма-
сел нафтенового основания характерно резкое падение вязкости
с ростом температуры и наоборот, их индекс вязкости минима-
лен. Это означает, что такие масла будут оказывать повышенное
сопротивление трению при низких температурах (в частности,
при пусках механизма), будет затруднено продвижение масла к
удаленным точкам смазывания. Если же использовать масло с
меньшей вязкостью, то оно не будет удовлетворять условиям ра-
боты в зоне высоких температур, так как в связи с резким паде-
нием вязкости уменьшается несущая способность масляного
клина. Поэтому предпочтительны масла с относительно высоки-
ми индексами вязкости.
Для улучшения ИВ в масло вводят небольшое количество спе-
циальных присадок, присутствие которых увеличивает вязкость
масла при высоких температурах значительно больше, чем при
низких, тем самым придавая маслу пологую вязкостно-темпера-
турную зависимость. С помощью этих присадок удается повы-
сить ИВ парафиновых масел до 160. Для цилиндровых масел ин-
декс вязкости не нормируется.
За рубежом масла по вязкости принято классифицировать в
единицах SAE. Соотношение между принятыми в России класса-
ми вязкости и единицами SAE и их соответствие значениям ки-
нематической вязкости показано в табл. 8.1.
329
Таблица 8.1
Класс по госу- Кинематическая вяз- Минимальная
дарственному стан- дарту Класс по SAE кость при 100°С, мм2/с температура пере качивания, °C
8 20 5,6-9,3
10 30 9,3-12,5
14 40 12,5-16,3
16 50 16,3-21,9
20 60 21,9-26,1
4з/10 10w/30 4,1/12,5 -25
5з/10 15w/30 5,6/12,5 -15
5з/14 15w/40 5,6/16,3 -15
6з/14 20w/40 5,6/16,3 -10
Роль вязкости в выполнении маслом его функций неодно-
значна. Чем выше вязкость, тем больше его несущая способность
и уплотняющее действие. В то же время при использовании ма-
сел меньшей вязкости отмеченные качества ухудшаются, но
уменьшаются потери на трение, нагарообразование, улучшаются
прокачиваемость, отвод теплоты и удаление продуктов износа из
узла трения.
Как отмечалось, смазывание судовых механизмов чаще всего
происходит в условиях гидродинамического жидкостного трения. Од-
нако увеличение температур, давлений и облегчение условий выте-
кания масла из узла трения способствуют уменьшению толщины
масляной пленки и при толщинах, меньших 0,02—0,1 мкм, законо-
мерности гидродинамической (жидкостной) смазки нарушаются.
При условиях граничного трения коэффициент трения зави-
сит не от объемной вязкости, а от маслянистости, или смазы-
вающей способности масла, и наличия в нем полярно-активных
компонентов. Последние образуют на трущихся поверхностях ад-
сорбционные слои, состоящие из цепочек полярно-активных уг-
леводородов, выстраивающихся перпендикулярно к трущимся
поверхностям. Такая ориентация может быть сравнима с ворсом
плотно сотканного ковра. Поверхностные слои состоят из не-
скольких молекул, причем каждая молекула своим полярным
концом прикрепляется к неполярному концу предыдущей моле-
кулы. Чем дальше от поверхности, тем слабее связь между
молекулами. Над ориентированными молекулами находятся хао-
тически расположенные, в стыках между ними располагаются
плоскости облегченного скольжения.
Граничная пленка может выдержать давление в несколько ты-
сяч мегапаскалей, но в то же время легко разрушаются по дости-
жении определенной температуры, при которой усиливающееся
тепловое движение молекул разрушает полярные связи, ориента-
330
ция молекул нарушается и граничная пленка теряет сцепление с
поверхностью металла. Для минеральных масел эта температура
составляет 90—100°С. Для усиления маслянистости масел и по-
вышения полярности молекул в базовые масла вводят 0,5—2%
наиболее устойчивых жирных кислот. Важно отметить, что по-
лярные молекулы содержат не только жирные кислоты, но и
продукты окисления масла, органические кислоты, образующие-
ся в процессе окисления масла в дизеле. Этим в известной степе-
ни объясняется улучшение смазывающих свойств масел в про-
цессе их старения.
Температура застывания. Ранее отмечалось, что вязкость мас-
ла по мере понижения температуры увеличивается и при дости-
жении определенной температуры масло переходит в твердое или
полутвердое состояние. Температура, при которой масло теряет
свою подвижность (текучесть), называется температурой засты-
вания (заст- Температура застывания моторных масел лежит в
пределах минус 10—15°С. Всесезонные масла имеют более низ-
кие температуры.
Испаряемость. Основу смазочных материалов составляют
фракции нефти, выкипающие при 200—500°С. Их нагревание в
двигателях и механизмах приводит к потере- легких фракций,
что вызывает изменение углеводородного состава, ухудшение
вязкостно-температурных свойств, повышение температуры за-
стывания и повышенный расход масла. Улетучивание масляной
основы из масла приводит к росту концентрации загустителя,
потере пластичности и растрескиванию. Об испаряемости масла
судят по фракционному составу и температуре вспышки: чем ни-
же температура вспышки, тем при более низкой температуре вы-
кипают первые фракции.
Деэмульгирующие свойства. Под деэмульгирующими свойст-
вами понимается способность масла отделять воду при их сме-
шивании. Высокие деэмульгирующие свойства особенно важны
для масел, используемых в судовых механизмах и в первую оче-
редь в паровых турбинах.
Эмульсии вызывают коррозию металла вследствие наличия в
них воды, ухудшают смазывающие свойства, повышают вязкость и
служат источником низкотемпературных осадков (шлама). Образо-
вание стойких эмульсий сокращает срок работы масла. Водомас-
ляные эмульсии (система типа "вода в масле") подразделяют на
грубо- и тонкодисперсные. Грубодисперсная эмульсия (состоит из
относительно больших капель воды, разделенных слоем масла) не-
прочна и легко распадается при тепловом и механическом воздейст-
вии. Тонкодисперсная эмульсия (размер капель примерно 1 мкм)
непрозрачна (белого цвета), прочна и представляет опасность, так
как может привести к нарушению смазки.
331
Устойчивость эмульсии определяется наличием в масле по-
верхностно-активных веществ, выполняющих роль эмульгатора,
который обволакивает находящиеся в масле механические при-
меси и воду. Поверхностно-активными свойствами обладают
продукты окисления масла (смолы, мыла органических кислот
и пр.), поэтому отработавшие масла обладают значительно боль-
шей склонностью к образованию эмульсий, чем свежие.
Деэмульгирующие свойства маслам придают специальные
присадки, способные растворять либо выделять из состава за-
щитных пленок природные или образовавшиеся в масле поверх-
ностно-активные вещества.
Вспениваемость. Пенообразованйе — это результат непрерывно
протекающих процессов образования в слое масла газовой эмуль-
сии, выделения пузырьков и накопления пенного слоя, разрушения
пены и ее возобновления. Газовая эмульсия образуется в результате
десорбции ранее растворенного воздуха (другого газа) при уменьше-
нии давления ниже равновесного, эжектирования воздуха струями и
каплями масла, истекающего из полостей повышенного давления.
Пенный слой образуется на поверхности масла и состоит из пу-
зырьков (пенных ячеек), заключенных в оболочку из поверхностно-
активных веществ масла. Время существования ячейки пены опре-
деляет устойчивость ее и всего пенного слоя. На место лопнувших
ячеек поступают новые порции всплывающих пузырьков. Таким об-
разом, высота пенного слоя, находящегося в динамическом равно-
весии, зависит от количества ячеек пены, образующихся в единицу
времени над поверхностью, и от устойчивости пены к разрушению.
На эти процессы оказывают совокупное влияние физико-химиче-
ские свойства масла (поверхностное натяжение, вязкость, упругость
паров и др.) и вся гидродинамическая обстановка.
Пенообразованйе нарушает нормальный режим смазывания:
уменьшается или полностью прекращается подача масла к узлам
трения, последние перегреваются, интенсифицируется окисление
масла. Для разрушения пены в смазочной системе предусматри-
вают пеногасители и воздухоотделители.
Пенообразованйе уменьшается при повышении температуры
масла (вследствие уменьшения растворимости газов, снижения
прочности масляных пленок и повышения давления в пузырьках
воздуха). Наиболее эффективный способ борьбы с ценообразова-
нием — введение в масло противопенных присадок (ПМС-200А),
содержащих силиконы. Антипенное действие силиконов основа-
но на их слабой растворимости в масле и небольшом поверхност-
ном натяжении. Тонкодиспергированные в масле частицы присад-
ки концентрируются на разделе фаз и гасят пузырьки пены.
Стабильность. Стабильность масел подразделяют на физиче-
скую и химическую. Физическая стабильность — это устойчи-
332
вость масла к воздействующим на него физическим процессам,
вызывающим изменение его состава и свойств и выражающаяся
в потере легких фракций при испарении, образование стойкой
пены и эмульсии при перемешивании с водой, выпадание и от-
стаивание присадок и пр.
Химическая стабильность — это способность масла противо-
стоять химическим процессам, ведущим под воздействием высо-
ких температур, кислорода воздуха агрессивных соединений и
попадающей в масло воды к его окислению с образованием ла-
ков, нагаров и шлама. К лаковым отложениям относятся плот-
ные продукты, образовавшиеся в ходе окисления масла на го-
рячих поверхностях, по виду сходные с лаковыми покрытиями.
Термоокислительная стабильность определяет устойчивость
масла к окислению в тонком слое при повышенной температу-
ре. В основу метода оценки положено определение времени об-
разования на горячей поверхности лаковой пленки определенной
плотности. Термоокислйтельную стабильность повышают введе-
нием противбокислительных присадок.
Нагарообразующая способность. На стенках камеры сгорания,
головках поршней, клапанах и других деталях масло образует
твердые отложения продуктов глубокого окисления. В образова-
нии нагара принимает участие и топливо. По структуре нагар
бывает монолитным, пластичным и рыхлым и состоит из карбе-
нов и карбоидов (50—70%), асфальтенов и оксикислот (3—6%),
смол и масла (15—40%), золы (1 — 10%).
Продолжительность фазы роста и количество образующегося
нагара зависят от качества и расхода топлива и масла, температуры
поверхностей, на которых откладывается нагар. При высоких тем-
пературах нагар не образуется, так как топливо и масло, попа-
дающие на горячие поверхности, сгорают и образуют твердые уг-
леродистые частицы, не способные удерживаться на поверхности,
лишенной связующей среды, и улетают с выпускными газами.
Соли металлов, входящих в состав присадок, не прореагировав-
ших с сернистыми соединениями (ситуация использования высоко-
щелочного масла в сочетании с малосернистым топливом), откла-
дываются в нагарах на боковых поверхностях головок поршней и
вызывают натиры и износ втулок цилиндров в виде продольных по-
лос в плоскостях размещения маслоподводящих отверстий.
Моюще-диспергирующие (детергентно-диспергирующие) свой-
ства. Эти свойства масла заключаются в предотвращении или
уменьшении отложений продуктов окисления (лаков, нагаров)
на деталях двигателя и поддержании их в чистоте. Чисто мине-
ральные масла без присадок моюще-диспергирующим свойст-
вом практически не обладают. Менее склонны к отложениям
масла, содержащие полициклические ароматйческие углеводоро-
ззз
ды. Моюще-диспергирующие свойства придают маслам путем
введения в них присадок — детергентов и диспергаторов.
Детергент представляет собой органометаллическое соедине-
ние, растворяющее продукты окислительной деградации масла.
Благодаря своей полярности детергент покрывает металлические
поверхности пленкой, которая предотвращает отложение на них
продуктов окисления углеводородов, составляющих лаки и нага-
ры. Кроме того, детергент нейтрализует образующиеся кислые
соединения благодаря щелочному действию солей Са, Ва и др.
Диспергатор представляет собой неметаллические беззольные
соединения с разветвленными молекулами большой молекуляр-
ной массы. Являясь поверхностно-активными веществами, он
обволакивает органические и неорганические составляющие ме-
ханических примесей, предотвращая их слипание и удерживая в
мелкодисперсном состоянии и тем самым исключая частицы из
процесса образования отложений.
Диспергаторы более эффективны по сравнению с детергента-
ми при низких температурах, их область действия — картер дизе-
ля, в то время как детергенты воздействуют на ЦПГ. Детергенты
и диспергаторы вводят в масла в виде композиции, и в своем
моюще-диспергирующем действии они взаимодополняют друг
Друга.
Осадки (низкотемпературные отложения, или шлам) осаж-
даются из используемого масла в масляных цистернах, поддоне
картера, маслопроводах, на фильтре, сетках приемника и т. п. По
внешнему виду они представляют собой липкую мазеподобную
массу темно-коричневого или черного цвета. Состав отложений
зависит от качества применяемых масел и технического состоя-
ния, режима и условий эксплуатации дизеля.
Антикоррозионные свойства. Масло должно обладать нейтра-
лизующим действием присадок при их взаимодействии с обра-
зующимися в цилиндре органическими кислотами (в первую
очередь серной H2SO4) и продуктами окисления самого масла.
Коррозия под действием органических кислот заключается в
электрохимическом растворении металлов — железа, свинца,
кадмия.
Серная кислота, относящаяся к классу сильных неорганиче-
ских кислот, приводит к электрохимической коррозии и интен-
сивному изнашиванию деталей ЦПГ. Нейтрализация кислот дос-
тигается путем введения в масло присадок, придающих ему ще-
лочные свойства, характеризующиеся общим щелочным числом
(ОЩЧ или TBN — Total Base Number).
334
8.3. ЦИЛИНДРОВЫЕ МАСЛА
Надлежащее смазывание деталей ЦПГ прежде всего зависит
от правильного выбора вязкости масла. При слишком низкой
вязкости масло неспособно поддерживать гидродинамический
режим смазывания в тонком слое. Более того, благодаря на-
личию легких фракций масло обладает легкой испаряемостью и,
принимая во внимание, что пленка масла, покрывающая зеркало
цилиндра, подвергается действию горячих газов, возникает опас-
ность оголения отдельных участков рабочей поверхности цилин-
дра. Слишком высокая вязкость затрудняет растекание масла по
поверхности, а наличие в высоковязких маслах фракций брайт-
стока увеличивает вероятность нагарообразования в поясе окон.
Учитывая отвеченные обстоятельства, рекомендуется придер-
живаться следующих значений вязкости цилиндровых масел:
для двигателей с петлевой схемой газообмена — SAE 40—50 (14—
16 мм2/с), для длинноходных двигателей с прямоточной схемой
газообмена — SAE 60 (20 мм2/с).
Детергентно-диспергирующие и антифрикционные свойства
масла зависят от эффективности и количества введенных в него
композиций присадок, в свою очередь определяемых общим ще-
лочным числом масла. При содержании в топливе серы до 1,5%
рекомендуются масла с ОЩЧ 30 мг КОН/г, а при большем ко-
личестве серы — масла с ОЩЧ 50—70 мг КОН/г. Если двигатели
работают на малосернистых топливах, то предпочтение следует
отдавать цилиндровым маслам с ОЩЧ 30, так как стоимость их
ниже. Но в этом случае должна быть гарантия, что при очеред-
ной бункеровке не будет получено топливо с содержанием серы
более 1,5—2% (судовые механики могут об этом не знать, так как
в сертификате серосодержание не всегда указывается). В против-
ном случае имеющееся на судне масло не обеспечит полной ней-
трализации сернистых соединений, что спровоцирует интенсив-
ное изнашивание деталей ЦПГ. Поэтому, учитывая, что доля
расхода на масла из общей суммы эксплуатационных затрат по
судну составляет менее 2%, рекомендуется использовать высоко-
легированные масла. Но надо иметь в виду, что использование
высоколегированных масел в комбинации с малосернистыми то-
пливами способствует образованию зольных отложений на боко-
вых поверхностях головок поршней в плоскостях выхода масля-
ных штуцеров и, как следствие, появлению полос натиров на
втулках цилиндров, полировке рабочей поверхности цилиндров
до зеркального блеска, что, несомненно, нежелательно. Но, как
показывает практика, случаи эти относительно редки и убыток
от них значительно меньше, чем он может быть при комбинации
малощелочное масло—высокосернистое топливо.
335
Необходимость применения для смазывания цилиндров высоко-
щелочных масел диктуется также современной тенденцией к повыше-
нию уровня форсировки двигателей, росту эффективного давления,
давлений и температур в цилиндрах. А это связано с увеличением ла-
ко- и нагарообразования, количества сжигаемого в единицу времени
сернистого топлива, снижением температуры конденсации на стен-
ках SO3 и Н2О, что в свою очередь определяет увеличение количества
образующейся серной кислоты и вызываемой ею коррозии.
Следует предупредить, что высоколегированные масла несут
в себе потенциальную опасность проявления несовместимости
при смешивании с маслами, имеющими иную композицию при-
садок, поэтому следует этого избегать.
8.4. ЦИРКУЛЯЦИОННЫЕ (СИСТЕМНЫЕ) МАСЛА
Системное масло служит для смазывания подшипников дета-
лей движения дизеля, поддержания в них масляного клина, несу-
щего высокие нагрузки при температуре 70—90°С, поэтому вяз-
кость масла имеет особо важное значение. Для всех системных
масел оптимальной считается вязкость 10—12 мм2/с (сСт), что
соответствует классу SAE30.
Масло в крейцкопфных дизелях должно работать без замены де-
сятки тысяч часов, поэтому его способность в течение длительного
времени сохранять свои моторные свойства, главным образом оп-
ределяемые способностью противостоять процессам окисления в
условиях повышенных температур под воздействием кислорода
воздуха и проникающих в масло агрессивных соединений, являет-
ся не менее важным. Чисто минеральное масло в современном ди-
зеле, особенно если его поршни имеют масляное охлаждение, под
действием высоких тепловых нагрузок подвергается процессам по-
лимеризации с образованием высокомолекулярных углеводород-
ных соединений, прилипающих к стенкам картера, выпадающих в
осадок и нередко приводящих к закупорке масляных каналов. В
современной практике эксплуатации дизелей чисто минеральные
масла прекратили применять, заменив их маслами с высокоэф-
фективными присадками. В частности, для повышения антиокис-
лительных свойств в масла вводят присадки — антиоксиданты.
Дизели должны быть также предохранены от ржавчины и кор-
розии внутренних поверхностей. Одной из наиболее вероятных
причин может быть попадание в масло воды, в частности при на-
личии протечек в маслоохладителях. Наиболее интенсивная кор-
розия происходит при попадании в масло забортной воды. На по-
верхности белого металла подшипников образуются черные твер-
дые отложения двуокиси олова, приводящие к задирам шеек вала.
336
Для предотвращения коррозии и образования отложений двуокиси
олова в масло вводят специальные антикоррозионные присадки.
В небольших количествах в циркуляционные масла вводят де-
тергенты, обеспечивающие чистоту дизеля путем диспергирова-
ния нерастворимых в масле частиц загрязнений и предотвраще-
ния откладывания их на холодных поверхностях картера и выпа-
дания в виде шлама. Циркуляционные масла должны также об-
ладать свойством нейтрализации кислот, проникающих в картер
из цилиндра через сальниковые уплотнения штоков поршней.
Уровень щелочности современных циркуляционных масел оп-
ределяется 3—5 мг КОН/г. Учитывая наличие в масле присадок,
его промывка водой при сепарации нежелательна. Щелочные
присадки обычно частично растворимы в воде и могут быть вы-
ведены с ней из масла. Кроме того, некоторые присадки обра-
зуют с водой стойкие эмульсии, с трудом разрушаемые в сепара-
торе.
Масло для тронковых дизелей совмещает в себе функции как
системного, так и цилиндрового масла, поскольку на смазывание
цилиндров поступает системное масло, разбрызгиваемое из под-
шипников КШМ. Особенность организации смазывания за-
ключается в том, что цилиндры тронковых дизелей не отделены
от картера. Образующиеся в них агрессивные продукты сгора-
ния и частично сажа с остатками цилиндрового масла попадают
в картер и смешиваются там с циркуляционным маслом, вызы-
вая его интенсивное загрязнение и окисление.
Изложенные обстоятельства предопределяют значительно бо-
лее тяжелые условия работы масел в тронковых дизелях, а от-
сюда и более высокие требования, которые к ним предъявляют-
ся. Прежде всего наряду с характерными для системных масел
хорошими антиокислительными, антикоррозионными и диспер-
гирующими свойствами они должны также удовлетворять всем
требованиям цилиндровых масел.
Вязкость масел должна соответствовать классу SAE30, а в дви-
гателях с высоким уровнем форсировки рабочего процесса —
SAE40.
Для нейтрализации кислот, прежде чем они вызовут коррозию
цилиндров при работе дизеля на топливе с содержанием серы
менее 1,5%, рекомендуются масла с ОЩЧ (TBN) 8—10 мг КОН/г.
При работе на тяжелых топливах с содержанием серы 2—3% не-
обходимы масла с ОЩЧ 30—40 мг КОН/г. Для вспомогательных
дизелей, работающих большую часть времени на неполных на-
грузках, в целях экономии можно допустить использование мас-
ла с ОЩЧ 20 мг КОН/г.
337
8.5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ МАСЕЛ
Отечественные масла. В соответствии с существующей в Рос-
сии классификацией моторные масла в зависимости от эксплуа-
тационных свойств подразделены на шесть групп: А, Б, В, Г, Д,
Е. Причем в каждую группу могут входить масла, различающиеся
по вязкости от 6 до 20 мм2/с при 100°С.
Масло каждого сорта имеет свой индекс (например, М-12В —
моторное масло вязкостью 12 мм2/с при 100°С, группа Вит. д.).
Для масел каждой группы характерны свои показатели качества
и моторные свойства:
А — масла без присадок либо содержащие небольшое количество
антиокислительной присадки или депрессатора, предназначенные
для бензиновых карбюраторных двигателей или для некоторых ма-
лонапряженных дизелей, работающих на малосернистом топливе;
Б — масла, содержащие до 3—4% алкилфенольной присадки
типа ЦИАТИМ-339 или АзНИИ-7, для относительно малона-
пряженных, в основном тракторных, дизелей, работающих на то-
пливе с ограниченным содержанием серы (до 0,2—0,5%);
В — масла, содержащие 4—7% композиции присадок, для
форсированных дизелей (тепловозных, судовых), работающих на
сернистых топливах с содержанием серы до 1%;
Г — масла, содержащие 7—12% композиции присадок, для
особо тяжелых условий работы форсированных дизелей с надду-
вом, работающих на сернистых топливах;
Д — масла для сверхтяжелых условий работы форсированных
дизелей с высокой степенью наддува; содержание присадок мо-
жет быть доведено до 12—20%;
Е — масла для смазывания цилиндра малооборотных судовых
дизелей с наддувом, работающих на тяжелых сернистых топли-
вах, а также для свободнопоршневых генераторов газа; содержа-
ние присадок достигает 25%.
Масла групп А—Д относятся к классу системных масел. Мас-
ла группы Д могут использоваться как системное масло в мощ-
ных среднеоборотных дизелях и как цилиндровое — в малообо-
ротных при использовании малосернистых топлив. Масла груп-
пы Г предназначены исключительно для смазывания цилиндров.
Из выпускаемых отечественной промышленностью масел в
судовых дизелях рекомендуется использовать масла групп Г2ЦС,
ДЦЛ, Е (табл. 8.2):
масло М10Г2ЦС — для циркуляционных систем смазывания
МОД, вспомогательных дизелей, работающих на топливах с содержа-
нием серы до 1%, для смазывания воздушных компрессоров, под-
шипников валопровода и других судовых механизмов, редукторов;
338
Таблица 8 .2
Марка масла Плотность при 20°С, кг/м3 (не более) Кинематическая вязкость при 100°С, мм2/с Индекс вязкости (не менее) Щелочное число, мг КОН/г (не менее) Температура, °C Зольность сульфатная, % (не менее)
вспышки в от- крытом тигле (не ниже} застывания (не выше)
МС20 915 20 ± 0,5 85 200 -15 0,005
Дп11у 920 11 ± 1 65 4,7 210 -20 1,15
М10В2 950 11 ± 0,5 85 3,5 205 -15 1,2
М10В2С 950 11 ± 1,0 83 3,5 200 -15 0,6
М14В2 950 14 ± 0,5 85 4,8 200 -12 1,0
М14ВЦ 940 14 ± 0,5 88 4,8 200 -12 1,0
М16В2 950 16 ± 1,0 90 3,5 200 -15 0,6
М10Г 920 11 ± 0,5 85 6,0 205 -15 1,65
М10Г2ЦС 920 10 ± 0,5 90 9,0 210 -10 1,5
М14Г2ЦС 920 14 ± 1,0 90 9,0 210 -10 1,5
М16Г2ЦС 920 16 ± 1,0 90 9,0 210 -10 1,5
М10Д 930 И ±0,5 83 9,0 200 -10 1,6
М10ДЦЛ20 930 10 ± 0,5 90 18 200 -10 3,0
М14ДЦЛ20, М14ДЦЛ30 930 14 ± 1,0 90 18/27* 200 -10 3,0/4,6
М16Е30 950 16 ± 1,0 85 30 205 -12 5,0
М16Е60 950 16 ± 1,0 90 60 205 — 12 10,0
М20Е60 950 20 ± 2,0 90 60 205 -12 10,0
* Щелочное число соответственно для масел М14ДЦЛ20 и М14ДЦД30.
масло М14Г2ЦС — для циркуляционных систем смазывания
вспомогательных дизелей и редукторов, где требуется масло более
высокой вязкости, чем масло М10Г2ЦС;
масло М16Г2ЦС — для смазывания цилиндров МОД, рабо-
тающих длительное время на топливах с содержанием серы до 1%, а
также в циркуляционных системах смазывания вспомогательных
дизелей и редукторов, где вязкость масла М14Г2ЦС недостаточна;
масло М10ДЦЛ20 — для циркуляционных систем смазывания
главных и вспомогательных СОД, работающих на топливах с содер-
жанием серы до 2%;
масло М14ДЦЛ20 — для циркуляционных систем смазывания
главных и вспомогательных СОД, работающих на топливах с содер-
339
жанием серы до 2%, для которых вязкость масла М10ДЦЛ20 недос-
таточна, для лубрикаторной системы смазывания цилиндров глав-
ных СОД, работающих на топливах с содержанием серы до 2%;
масло М14ДЦЛ30 — для циркуляционной и насосной систем
смазывания СОД, работающих на топливах с содержанием серы
более 2%;
масла М16Е30 и М16Е60 — для смазывания цилиндров в
крейцкопфных дизелях, имеют щелочность соответственно 30 и
60 мг КОН/г; первое рекомендуется при использовании малосер-
нистых топлив, второе — при содержании серы более 1,5—2%.
Увеличение в двигателях отношения S/D при одновременном
росте уровня форсирования их рабочего процесса существенно уже-
сточило условия работы масла в цилиндрах. Увеличились смазывае-
мая поверхность в цилиндрах, давление газов на поршневые кольца,
воздействие пламени на смазываемые поверхности и температуры.
Это потребовало увеличения вязкости цилиндрового масла с 16 до
20 мм2/с и увеличения щелочности с 60 до 70 мг КОН/г. Удовле-
творяет этим требованиям цилиндровое масло М20Е70.
Зарубежные масла. Для классификации масел за рубежом ис-
пользуются требования к маслам, разработанные SAE (Society of
Automotive Engineers), ASTM (American Society for Testing and
Materials) и API (American Petroleum Institute). Согласно класси-
фикации SAE в зависимости от условий работы масла подразде-
ляют на три группы:
обычные масла, называемые также регулярными, или преми-
альными (Premium), либо вообще не содержат антиокислитель-
ных присадок, либо содержат их небольшое количество, предна-
значены для карбюраторных двигателей и малонапряженных ди-
зелей, работающих на малосернистом топливе;
масла для более тяжелых условий работы, чем обычные (обо-
значаются HD), содержат значительное количество моющих и
антиокислительных присадок;
масла для особо тяжелых условий работы в зависимости от
особенностей применения в двигателе (степень наддува, на-
личие переменных режимов, содержание серы-в топливе и т. п.)
разделяют на три серии: 1 — масла с антиокислительными и
моющими присадками для дизелей, работающих в умеренно-тя-
желых условиях на сернистом топливе, 2 и 3 — масла с анти-
окислительными и моющими присадками для дизелей, рабо-
тающих в особо тяжелых условиях (высокий наддув, высокотем-
пературный режим, на сернистом топливе).
По мере утяжеления условий работы масла количество добав-
ляемых присадок возрастает.
По классификации API моторные масла подразделяют на две
группы: для карбюраторных двигателей (им присвоены индексы
340
от SA до SG) и для дизелей (индексы от СА до СЕ). Вторая буква
в индексе определяет по возрастающей свойства масла, завися-
щие от уровня форсировки двигателя и связанного с ним требова-
ния к детергентно-диспергирующим свойствам. Так, масла для
транспортных дизелей должны иметь индекс СА, СВ или СС. Для
двигателей с турбонаддувом требуются более высокие моющие
свойства и масло должно иметь индекс CD или СЕ. Характеристи-
ки отечественных моторных масел приведены в табл. 8.2.
Судоходные компании России наряду с отечественными мас-
лами широко используют масла ведущих зарубежных фирм: "Мо-
бил”, "Шелл", "Бритиш Петролеум", "Тебоил" и "Кастрол". Следу-
ет выделить фирму "Бритиш Петролеум" (ВР), первой создавшую
совместно с российскими предприятиями компанию по произ-
водству в С.-Петербурге и Перми судовых моторных масел с ис-
пользованием базовой основы масла Пермского нефтезавода,
технологии и композиции присадок фирмы. Созданная акцио-
нерная компания "Балтик Петролеум" по лицензии ВР произво-
дит моторные масла следующих основных марок:
Энергол CLO50M — цилиндровое масло для крейцкопфных
МОД, работающих на тяжелых сернистых топливах (ОЩЧ-70,
вязкость — SAE50);
Энергол ОЕ-НТЗО — щелочное циркуляционное масло для
МОД с масляным охлаждением поршней (ОЩЧ-6, вязкость —
SAE30);
Энергол DL-MP30/40 — циркуляционное и цилиндровое мас-
ла для тронковых СОД, работающих на дистиллятных топливах
(ОЩЧ-9, вязкость - SAE30/40);
Энергол DS3-153/154 — область применения та же, но для
форсированных дизелей (ОЩЧ-15, вязкость — SAE30/40);
Энергол IC-HF303/304/404 — циркуляционное и цилиндровое
масла для форсированных СОД, работающих на тяжелых серни-
стых топливах/ОЩЧ-30/30/40, вязкость — SAE30/40/40).
Стоимость масел. Цены на масла в России, как и на топлива,
близки к общемировым ценам и непрерывно растут. Для ориента-
ции в ценах можно воспользоваться следующими данными. Цена
(дол./т) масел:
цилиндровых для работы на высокосернистых топливах: М20Е70 —
900, М16Е30 - 415, CLO 50М (фирма ВР) - 1140;
системных М10Г2ЦС - 400, ОЕ-НТЗО и DL-MP30/40 (фирма
ВР) - 815, DS3-153/154 (фирма ВР) - 822.
341
Глава 9
СИСТЕМЫ СМАЗЫВАНИЯ, РАБОТА МАСЕЛ, ИХ ОЧИСТКА
9.1. СИСТЕМЫ СМАЗЫВАНИЯ ДИЗЕЛЕЙ
Задачи и классификация систем. Задачами систем являются: по-
дача масла к узлам трения и на охлаждение поршней; регенерация
масла путем его охлаждения и очистки; прием, хранение свежего и
отработанного масел и необходимые в эксплуатации перекачивания.
По способу создания давления различают системы:
напорную, в которой давление масла (0,2—0,8 МПа) перед уз-
лами трения создается непосредственно навешенным на двига-
тель или электроприводным насосом;
гравитационную, в которой давление (0,07—0,1 МПа) опреде-
ляется высотой расположения напорной цистерны, из которой
масло самотеком поступает к смазываемым узлам.
Гравитационная система выгодно отличается от напорной посто-
янством напора и наличием определенного запаса масла, гаранти-
рующего его подачу при пусках и остановках смазываемого агрегата
с навешенным масляным насосом и, при аварийном отключении на-
соса. Благодаря этому гравитационные системы применяют для сма-
зывания ротативных механизмов, имеющих "выбег" (газотурбонаг-
нетателей редукторов, дейдвудных подшипников и др.).
Двигатели внутреннего сгорания оборудуют напорными сис-
темами, обычно называемыми циркуляционными. Системы могут
быть линейными, когда масло после выполнения своих функ-
ций обратно в систему не возвращается. Примером может слу-
жить смазочная система цилиндров с помощью насосов, приме-
няемая в малооборотных и некоторых среднеоборотных дизелях.
Циркуляционные системы, в которых масло циркулирует по
замкнутому контуру, в свою очередь подразделяют на взаимосвя-
занные внутреннюю и внешнюю (рис. 9.1).
В задачи внутренней системы входят распределение и подача
масла внутри дизеля.
К элементам внутренней системы относятся: главная масло-
распределительная труба, от которой масло поступает к рамо-
вым подшипникам, по сверлениям в коленчатом валу — к ша-
тунным и по сверлениям в шатунах — к головным подшипни-
342
кам; клапан 3 регулирования давления (редукционный); трубка
подачи масла к подшипникам распределительного вала, проме-
жуточной шестерне и приводу смазочного насоса; редукционный
клапан 8 и маслопроводы подачи масла. По трубке 9 масло пода-
ется к приводам насосов, тахометру и редукционному клапану 8,
отрегулированному на давление 0,01—0,015 МПа. По маслопро-
водам масло подводится к направляющим блокам на смазыва-
ние толкателей клапанов, роликов и цапф, к подшипникам ко-
ромысел.
К элементам внешней системы относятся: резервный и пред-
пусковой насосы с электроприводом; насос ручного прокачива-
ния; шестеренный масляный насос (навешенный) с приемной
трубой в поддоне; байпасно включенный гидрореактивный цен-
тробежный маслоочиститель; маслоохладитель; полнопоточный
сдвоенный фильтр тонкой очистки масла с тонкостью отсева
10—15 мкм; термостатический клапан, при холодном масле (при
пуске) пропускающий масло, минуя фильтр; маслонаполнитель-
ная горловина и измерительный шток.
Рис. 9.1. Внутренняя система смазывания вспомогательного двигателя Ваза—
Вяртсиля 614Т:
1 — измерительный шток; 2 — маслонаполнительная горловина; 3, 8 — редукционные кла-
паны; 4— маслораспределительная труба; 5, 14, 15, 16— насосы соответственно смазочный,
масляный (навешенный), ручной, предпусковой; 6— направляющий блок; 7— коромысло;
9 — трубка подачи масла; 10 — термостатический клапан; 11 — сдвоенный фильтр; 12 —
маслоохладитель; 13 — маслоочиститель
343
В зависимости от размещения работающего масла циркуляци-
онные системы подразделяют на системы с мокрым картером (все
масло хранится в картере дизеля) и сухим картером (масло нахо-
дится в отдельной сточной циркуляционной цистерне). Система,
представленная на рис. 9.1, относится к системам с мокрым карте-
ром и является типичной для дизелей относительно небольшой
мощности и для большинства судовых вспомогательных дизелей.
Системы с сухим картером имеют все мощные судовые дизели
(мало- и среднеоборотные), используемые на судах в качестве
главных. Параметры системы: вместимость, удельная вмести-
мость, подача масляного насоса, кратность циркуляции масла
(отношение подачи насоса к количеству залитого в систему мас-
ла — вместимости системы). Наибольшей вместимостью обла-
дают системы МОД 2,5—3,5 л/кВт при масляном охлаждении
поршней и 0,8—2 л/кВт — при водяном. Кратность циркуляции
в этих дизелях составляет 4—12. Это означает, что за 1 ч весь
объем масла проходит через двигатель 4—12 раз. Большим объе-
мом системы, т. е. малой кратностью циркуляции, в значитель-
ной мере объясняется большой срок службы системного масла в
МОД (десятки тысяч часов).
В среднеоборотных дизелях удельная вместимость масляных
систем несколько ниже (1,2—1,5 л/кВт), а удельная подача масля-
ных насосов [15—22 л/(кВт-ч)]. Это предопределяет наличие в
системах СОД большей кратности циркуляции масла (15—17), что,
учитывая более жесткие условия работы в системе, непрерывное
загрязнение стоками масла и агрессивных соединений из цилинд-
ров, обусловливает значительно меньший срок службы.
В циркуляционной системе смазывания малооборотного дизе-
ля (рис. 9.2) масло из циркуляционной цистерны, отделенной от
днищевого набора и в торцах коффердамом, через приемную
сетку забирается автономным масляным насосом. От насоса мас-
ло поступает к фильтрам и затем к маслоохладителю (насос,
фильтры и маслоохладители обязательно резервируют). От охла-
дителей масло поступает в дизель, где распределяется на смазы-
вание и охлаждение внутренней системой смазывания. Из дизеля
масло стекает в расположенную под ним сточную циркуляцион-
ную цистерну, обычно резервируемую. Кроме сточно-циркуля-
ционных цистерн, для восполнения потерь масла в дизеле преду-
смотрены цистерны запаса свежего масла, для хранения и сепа-
рации отработавшего масла — цистерна грязного масла. Имеют-
ся также цистерны цилиндрового масла и масла для ГТН.
Фильтр пропускает весь поток масла, поступающий к дизелю
(такой фильтр называется полнопоточным).
Сепараторы масла, обеспечивающие более тонкую очистку,
включены байпасно. Масло на сепарацию забирается навешен-
344
На палубу
С палубы
Сток
№J
С палубы
13
От резерв'
кого мас-
ляного
насоса
к резервному
-----е>...
насосу
От вспомога-
тельных ДГ
т—С*<К“
Горячая
вода
Рис. 9.2. Циркуляционная система смазывания главного дизеля:
7 — сепаратор; 2 нагреватель масла; 3, 4 — цистерны масла соответственно цилиндрово-
го и для ГТН; 6 — цистерны соответственно запаса свежего масла и грязного масла; 7 —
маслоохладитель; 8 — фильтр; 9 — главный масляный насос; 10 — дизель; 77 — циркуляци-
онная цистерна; 12— коффердам; 13 — приемная сетка
ным на сепаратор насосом из циркуляционной цистерны или из
цистерны грязного масла, куда оно может подаваться главным
масляным насосом. Этим же насосом можно подавать грязное
масло на палубу (сдавать на берег). Просепарированное масло
вторым навешенным насосом возвращается в циркуляционную
цистерну.
Система смазывания распределительного вала. Для того чтобы
предотвратить загрязнение циркуляционного масла топливом,
которое может попадать в него вследствие утечек в топливных
насосах, в дизелях МАН — Бурмейстер и Вайн распределитель-
ный вал смазывается от отдельной системы (рис. 9.3). Здесь, как
и в основной циркуляционной системе, имеются цистерна, насо-
сы, фильтры и холодильник. Масло под давлением, регулируе-
мым клапаном, подается к подшипникам вала дизеля и направ-
ляющим толкателей, откуда стекает в поддон. Здесь поддержива-
ется уровень, достаточный для того, чтобы масло захватывалось
вращающимися кулачками и смазывало их рабочие поверхности.
Стекающее из дизеля масло пропускается через магнитный
фильтр, а также может быть подвергнуто дополнительной обра-
ботке в ФТО путем прокачивания насосом. Учитывая опасность
попадания в масло топлива, качество его необходимо регулярно
345
Наполнение
Рис. 9.3. Система смазы-
вания распределительного
вала дизеля МАН — Бур-
мейстер и Вайн:
7 — дизель; 2 — магнитный
фильтр; 3 — насосы; 4 —
фильтр тонкой очистки; 5 —
цистерна; 6 — холодильник
нижний уродень
~^300 мн (mln}
контролировать и, если содержание в нем топлива превышает
10%, масло должно быть заменено. О поступлении топлива в
масло можно судить по увеличению уровня в цистерне, появле-
нию характерного для топлива запаха, изменению вязкости мас-
ла (±15%), снижению температуры вспышки до 190°С.
Контроль за работой циркуляционной системы смазывания. Ра-
боту системы контролируют по показаниям контрольно-измери-
тельных приборов. В первую очередь необходимо следить за дав-
лением в системе: если оно опускается ниже допустимого значе-
ния, необходимо немедленно снизить нагрузку и частоту враще-
ния до малого хода, получить разрешение и остановить дизель.
Перегрев подшипников контролируют по температуре картер-
ных лючков, а после вскрытия картера проверяют находящееся
в нем масло, а также масляный фильтр на возможное наличие
блесток белого металла подшипникового сплава.
Важно также следить за температурой масла на входе в ди-
зель и выходе из него. У крейцкопфных дизелей температура на
выходе обычно поддерживается на уровне 60—65°С, в форсиро-
ванных СОД она составляет 75—78°С.
346
Особое внимание нужно обращать на температуру и характер
струи масла, вытекающего из поршней. Если по выходе из
поршня (или нескольких поршней) струя масла уменьшается и
температура растет, это может привести к перегреву поршня и
отложению на нем асфальтосмолистых продуктов, препятст-
вующих теплоотводу. В этом случае необходимо снизить нагруз-
ку и очистить внутренние полости головок поршней. Важными
показателями являются также перепады давления на фильтрах и
температуры в маслоохладителях.
Гравитационная система смазывания турбокомпрессоров (рис. 9.4).
Масло, используемое для смазывания ГТК, хранится в цистерне
запаса, откуда самотеком поступает в сточную цистерну и затем
насосом через фильтр грубой очистки и холодильник с терморе-
гулирующим клапаном подается в напорную цистерну. Во избе-
жание переполнения она снабжена переливной трубой. Из на-
порной цистерны через фильтр масло поступает на смазывание
газотурбокомпрессора, откуда сливается в сточную цистерну.
Система смазывания редукторных передач аналогична.
При эксплуатации системы смазывания ГТК нужно следить за
уровнем масла в напорной и циркуляционной цистернах. Его па-
дение может свидетельствовать о нарушении работы лабиринто-
вых уплотнений ГТК или наличии протечек в системе. Нужно
также контролировать масло на содержание воды. Ее появление
является признаком течи корпуса ГТК или холодильника, что в
итоге может привести к выходу из строя подшипников, повреж-
дениям ротора и пр.
ВНИМАНИЕ! Следует особо предупредить об опасности сме-
шивания турбинных, а также гидравлических масел с моторными
маслами, так как подмешивание даже небольших количеств по-
следних резко снижает деэмульгирующую способность масел в
отношении воды, а также ухудшает их противопенные свойства.
Рис. 9.4. Гравитационная система смазы-
вания газотурбокомпрессора:
1 — переливная труба; 2, 6, 10 — цистерны со-
ответственно напорная, запасная, сточная; 3 —
холодильник; 4 — терморегулирующий клапан;
5 — фильтр грубой очистки; 7 — насос; 8 — элек-
троприводной насос; 9 — газопгурбокомпрессор
В цистерну
отработав-
шего масла
Прием
347
Система смазывания ЦПГ. В смазочной системе крейцкопфного
дизеля (рис. 9.5) цилиндровое масло хранится в цистерне запаса, от-
куда через фильтр подается электроприводаым или ручным насосом в
расходную цистерну, являющуюся одновременно и напорной. Эта
цистерна снабжена указателями верхнего и нижнего (сигнализи-
рующего) уровней. Из цистерны масло самотеком поступает на по-
полнение навешенных на дизель насосов (лубрикаторов), которые
обеспечивают строго дозированную подачу масла на поверхность ци-
линдров через штуцера, ввернутые в отверстия во втулках.
Подаваемое масло расходуется на смазывание рабочих поверх-
ностей цилиндров, поршневых колец, поршней, а также забра-
сывается в камеру сгорания и продувочно-выпускные окна (в
двухтактных двигателях), сбрасывается в картер или подпоршне-
вые полости. Масло, распределяемое тонкой пленкой по поверх-
ности цилиндра, выполняя функцию разделения трущихся по-
верхностей, одновременно нагревается, подвергается воздейст-
вию горячих агрессивных продуктов сгорания и воздуха, боль-
шим тепловым потокам со стороны поршня. В результате окис-
лительных процессов в нем образуются органические кислоты,
масло насыщается сильными неорганическими кислотами, сажей
и пр.
С палубы
Рис. 9.5. Система подачи цилиндрового масла к насосам:
1 — насос; 2 — фильтр; 3, 4 — цистерны соответственно запасная и расходная;
5 — дизель
348
Большая часть масла, особенно находящаяся на верхней поверх-
ности цилиндра, испаряется. Пары масла диффундируют в воздух и
сгорают либо уносятся с выпускными газами в выпускной тракт.
Остальная часть масла, ставшая более вязкой и вобравшая в себя
продукты старения, частично сбрасывается поршневыми кольцами в
картер либо в подпоршневые полости, частично остается на стен-
ках цилиндра и поршней, превращаясь в лаки и нагары.
На толщину масляной пленки на поверхности цилиндра оказы-
вают влияние', количество подводимого масла и способ подвода;
скорость движения колец вдоль поверхности цилиндра, завися-
щая от скорости движения поршня и частоты вращения двигате-
ля; радиальное давление колец на втулку, определяемое нагруз-
кой цилиндра, упругостью колец и их расположением на порш-
не; качество рабочей поверхности цилиндра (шероховатость);
свойства масла (вязкость, маслянистость, термическая стабиль-
ность и пр.); температура и давление газов в цилиндре; темпера-
тура смазываемых поверхностей втулки, поршня.
Необходимое возобновление или освежение масляной плен-
ки на рабочей поверхности цилиндра в двигателях с подачей
масла разбрызгиванием происходит при каждом ходе поршня
вверх. В двигателях с принудительным смазыванием нерегуляр-
ность поступления масла из штуцеров в известной мере наруша-
ет цикличность возобновления пленки на поверхности цилиндра.
Необходимым условием сохранения масляной пленки являет-
ся требование, чтобы количество возмещаемого масла См покры-
вало его расход GMp, обусловленный испарением и сгоранием
бисп, забрасыванием масла кольцами в камеру сгорания GKC (это
масло частично сгорает, переходит в нагары, уносится с выпуск-
ными газами), сбросом частично окислившегося масла в выпуск-
ные окна, где оно откладывается в виде нагара, и в подпоршне-
вую полость или в картер <7К:
^мр ” ^ИСП + ^КС +
Если подача масла в цилиндр недостаточна (GM < GMp), то
поддержание масляной пленки необходимой толщины становит-
ся невозможным, режйм трения из жидкостного может перейти в
граничный или в режим сухого трения.
Наибольшей толщины масляная пленка достигает в зоне, рас-
положенной от середины хода поршня в сторону НМТ. Именно
здесь поршень развивает максимальную скорость, гидродина-
мическое давление увеличивается, а температура и интенсив-
ность испарения масла снижаются. На большей части хода
поршня толщина пленки составляет более 20 мкм, поэтому ре-
жим смазывания носит гидродинамический характер. В малообо-
349
ротных дизелях в связи с меньшими скоростью поршня и по-
дачей масла на смазывание цилиндров толщина слоя масла
обычно меньше, однако и в них режим смазывания в основном
носит гидродинамический характер, за исключением зон ВМТ и
НМТ, более протяженных, чем в быстроходных дизелях. Здесь
смазка подчиняется законам граничного трения.
Эффективное смазывание существенно затрудняется или на-
рушается там, где имеется пропуск газов вдоль образующей ци-
линдра независимо от того, вызван он нарушением цилинд-
ричности втулки вследствие деформации или износа либо нару-
шениями в работе колец (потеря упругости, зависание в кепах,
поломка). В местах прорыва газов масляная пленка перегревает-
ся, окисляется, сгорает или сдувается. Если в таких случаях ло-
кальные участки поверхности металла остаются незащищенны-
ми, это способствует как коррозионному, так и механическому
изнашиванию. Особенно велика опасность прорыва газов через
первое поршневое кольцо. Прорыв газов происходит через от-
крытые замки поршневых колец; особенно опасна ситуация, ко-
гда замки колец выстраиваются в одну линию. Поэтому необхо-
димо сохранение подвижности колец' в кепах, при которой коль-
ца имеют возможность непрерывно вращаться, занимая положе-
ния, не зависимые друг от друга.
Пропуск газов через кольца вследствие их неплотного приле-
гания определяют по появлению на кольцах местных пятен ожо-
га, а на втулке — темных полос. Особенно тяжелые условия сма-
зывания в поясе выпускных окон двухтактного двигателя, где
имеются благоприятные условия для сдувания масла с поверхно-
стей втулки, колец и поршня в момент прохождения его мимо
окон и их открытия. Этим объясняются большие износи втулок
в поясе окон и задиры, типичные для дизелей с петлевой схемой
газообмена.
9.2. РАСХОДОВАНИЕ И ИЗМЕНЕНИЕ
СВОЙСТВ МАСЛА В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Расход масла. Суммарный расход масла двигателем складыва-
ется из расходов на угар и на слив: (7М = Gyr + (7СЛ. Из общей
суммы масла, расходуемого тронковым дизелем, основной со-
ставляющей является расход на угар (89—95%), а расход на
слив, в основном зависящий от скорости срабатывания приса-
док, составляет всего 5—15%. Расход принято выражать величи-
350
ной суточного расхода (7М сут, кг/ч, либо удельным показателем,
называемым удельным расходом масла двигателем, г/(кВт • ч):
8м = Ю 3-
1 е
Расход масла крейцкопфным дизелем в основном складывается
из расхода цилиндрового масла, большая часть которого сгорает
в цилиндрах, а остальное масло стекает в подпоршневые полости
и оттуда направляется в сточные цистерны, сжигается в котлах
либо регенерируется и добавляется в циркуляционное масло.
Удельный расход цилиндрового масла мощных малооборотных
дизелей лежит в пределах 0,55—1,1 г/(кВт*ч).
Тронковые дизели имеют значительно большие расходы масла
вследствие практически нерегулируемой подачи масла на смазы-
вание цилиндров (разбрызгиванием) и большой скорости старе-
ния масла, вызванной проникновением в картер агрессивных
продуктов сгорания и сбросом в картер отработавшего в цилинд-
ре масла. Тронковые дизели с умеренной форсировкой рабочего
процесса имеют gM = 1,6 ч- 1,8 г/(кВт-ч), в современных средне-
оборотных мощных дизелях с высоким уровнем форсировки и
работающих на тяжелых высокосернистых топливах расход масла
выше [1,5—2,5 г/(кВт*ч)]. Причем эти цифры расходов харак-
терны для новых дизелей, по мере износа ЦПГ расход масла уве-
личивается в 1,5 раза и более.
В общем случае расход масла тронковым дизелем зависит от сле-
дующих факторов: числа и конструкции колец, их расположения
на поршне, приспособляемости к изменению формы цилиндра; сте-
пени износа колец, увеличения зазора в замке, износа торцовых по-
верхностей колец и канавок (усиливается перекачивание масла), по-
тери упругости колец, свободы их перемещения в канавках; конст-
рукции поршня, способности сохранять цилиндрическую форму
при нагружении, зазора между тронком и цилиндром; конструкции
цилиндра, способности сохранять цилиндрическую форму в процес-
се работы, состояния поверхностей трения и степени износа, каче-
ства и состояния масла (снижение вязкости увеличивает расход мас-
ла); зазора между штоками клапанов и направляющими; режима на-
гружения дизеля; плотности смазочной системы.
Расход масла на слив (7СЛ представляет собой потерю масла, обу-
словленную необходимостью его периодической замены в связи с
потерей тех или иных эксплуатационных свойств (достижения
браковочных показателей). Изменение состояния масла во време-
ни, его старение, а с ним и расход (7СЛ определяются не только
свойствами самого масла, конструктивными особенностями дизе-
351
ля, режимами его работы и техническим состоянием, но и сма-
зочной системой (ее вместимостью, кратностью циркуляции мас-
ла, наличием и эффективностью средств очистки масла, от кото-
рых зависит восстановление его эксплуатационных свойств).
Изменение свойств (старение) масла в процессе эксплуатации.
Старение масла представляет собой совокупность различных
процессов, приводящих к изменению физических и химических
его свойств в ходе использования в машинах и механизмах и при
хранении. Современное моторное масло представляет собой
комплекс, состоящий из базового масла (углеводородной части)
и присадок, и при старении в нем происходят химические и фи-
зико-химические процессы изменения масляной основы, внеш-
нее загрязнение, срабатывание присадок и изменение их химиче-
ского состава и структуры.
Внешнее проявление старения масла — потемнение. Вследст-
вие работы в дизеле в масле появляются механические примеси
органического (продукты окисления и окислительной полимери-
зации масла) и неорганического (продукты износа) происхожде-
ния, изменяются вязкость, кислотно-основные свойства, содер-
жание присадки, в нем могут накапливаться топливо и вода.
Окисление масла в цилиндрах и картере качественно протекает
различно. На интенсивность и характер окислительных процес-
сов в высокотемпературной зоне в покрывающей зеркало цилин-
дра масляной пленке оказывают влияние теплообмен между га-
зом и пленкой, взаимодействие с пленкой кислорода воздуха,
сернистых и иных агрессивных соединений. Кроме того, в плен-
ку осаждается твердый углерод (сажа). Под влиянием перечис-
ленных факторов окисление масла на втулках идет-в десятки раз
интенсивнее, чем в картере, особенно при сжигании тяжелых
сернистых топлив с высоким содержанием асфальтенов.
Окисление сопровождается образованием кислых (перекиси,
оксикислоты, слабые органические кислоты) и нейтральных
(смолы, асфальтены, карбены, карбоиды) продуктов.
В тронковом дизеле начавшийся в цилиндре процесс окисле-
ния продолжается в находящемся в картере масле. Здесь факто-
рами, определяющими скорость окисления, являются: техниче-
ское состояние дизеля (состояние ЦПГ), режим его работы, эф-
фективность находящихся в масле присадок, качество очистки
масла, его расход, количество доливок свежего масла и пр. В на-
ходящееся в картере масло вместе с прорывающимися через
поршневую группу газами проникают продукты высокотемпера-
турного окисления цилиндрового масла, агрессивные соедине-
ния и сажа, водяные пары и несгоревшее топливо. На скорость
процессов окисления оказывает также влияние наличие в карте-
ре масляного тумана.
352
Образовавшиеся в ходе окисления высокомолекулярные продукты
на нагретых металлических поверхностях ЦПГ создают липкие лако-
вые пленки, способные задерживать и скреплять твердые органиче-
ские включения (карбены, карбоиды и сажу) и образовывать нагары.
Асфальтосмолистые соединения, обладая высокими поверхно-
стно-активными свойствами, адсорбируются на взвешенных в
масле частицах (механических примесях) и покрывают их свое-
образной коллоидной защитной пленкой, которая препятствует
непосредственному контакту абразивных частиц с поверхностя-
ми трения. В начальный период, когда в дизеле находится свежее
масло и продукты окисления отсутствуют или их мало, наблюда-
ется значительный съем металла с поверхностей трения, сопро-
вождающийся локальными температурными вспышками и кон-
тактным окислением масла (это окисление микрообъемов масла
в точках контакта трущихся поверхностей, где развиваются высо-
кие давление и температура). По мере накопления коллоидных
продуктов окисления скорость процесса изнашивания уменьша-
ется, сокращается число точек контактного окисления и про-
цесс старения в известной мере стабилизируется.
Накопление в масле кислых продуктов приводит к росту его ор-
ганической кислотности, которая характеризуется кислотным чис-
лом — количеством эквивалентной щелочи, необходимой для ней-
трализации кислых соединений. Кислотное число выражается в ми-
ллиграммах КОН на 1 г масла (мг КОН/г). Рост кислотности опре-
деляет увеличение коррозионной агрессивности работающего масла
в связи с образованием в нем органических кислот, отрицательно
влияющих на антифрикционные сплавы подшипников с содержа-
нием свинца и кадмия. Заметное действие этих кислот на металл
начинает сказываться при кислотности масла, превышающей 1,5 мг
КОН/г. Кислотное число масла характеризует лишь те кислоты, ко-
торые щелочные соединения присадок не в состоянии нейтрализо-
вать, и они накапливаются в масле по мере его старения.
Наряду с ростом кислотности увеличивается вязкость масла,
что сопряжено с накоплением в нем высоковязких продуктов уп-
лотнения (смол, асфальтенов, оксикислот). Это затрудняет по-
ступление масла к наиболее удаленным местам дизеля и может
привести к их повышенному изнашиванию. Если на смазывание
цилиндров масло поступает из картера (а в большинстве средне-
оборотных двигателей это так), то увеличение вязкости вследст-
вие окисления, особенно заметное при высоких температурах,
сопровождается увеличением толщины масляной пленки на зер-
кале, угара и интенсивности дальнейшего окисления масла.
В крейцкопфном дизеле, у которого цилиндры отделены от кар-
тера диафрагмой и смазывание цилиндров и группы движения
осуществляется раздельно, масло в картере окисляется значи-
353
1 2 Зак. 1596
тельно медленнее и его старение в основном определяется нако-
плением в нем продуктов износа и коррозии. Этим объясняется,
что при эффективной очистке системного масла крейцкопфных
двигателей срок его службы практически неограничен.
Истощение присадок по мере работы масла в дизеле происхо-
дит по следующим причинам: расходования компонента присад-
ки на нейтрализацию образующихся в цилиндрах сильных кис-
лых соединений; адсорбции молекул присадки на поверхностях
деталей и на взвешенных частицах органического и неорганиче-
ского происхождения; адсорбции присадки на фильтре тонкой
очистки масла; потери присадки вместе с угорающим маслом.
В крейцкопфном дизеле истощение присадок происходит очень
медленно, лишь выход из строя сальниковых уплотнений штоков и
прорыв в картер большого количества агрессивных сильных кислот
может привести к быстрому истощению присадок. Желательно, что-
бы щелочность масла не опускалась ниже 1,5—2 мг КОН/г. За
уровнем содержания присадок в масле особенно важно следить в
тех дизелях, где оно используется не только для смазывания деталей
движения, но и для охлаждения поршней, так как именно в порш-
нях при потере присадок возможно интенсивное отложение продук-
тов окисления, существенно ухудшающих процессы теплопередачи.
В тронковом дизеле истощение присадок происходит значи-
тельно быстрее, при этом большую роль играют сернистость топ-
лива и расход масла. Влияние первого фактора понятно из пре-
дыдущего. Роль расхода объясняется тем, что при большом рас-
ходе возникает необходимость в частых добавках свежего масла,
а это поднимает уровень его щелочности. Важно также иметь в
виду, что по этой причине дизели с малым расходом требуют ма-
сел с более высоким общим щелочным числом.
Содержание в масле механических примесей и воды. Накапли-
вающиеся в масле в процессе его работы в дизеле механические
примеси в зависимости от происхождения подразделяют на мине-
ральные (продукты износа деталей и загрязнения минерального
происхождения, попадающие в картерное масло извне) и орга-
нические (образуются в результате процессов окислительной по-
лимеризации углеводородов масла).
Наличие в масле механических примесей способствует изна-
шиванию дизеля, однако влияние отдельных компонентов раз-
лично. Основную роль в абразивном изнашивании деталей иг-
рают минеральные составляющие примесей. Накапливающиеся в
масле в процессе окисления не растворимые в бензине органиче-
ские примеси благодаря своей полярности способствуют повы-
шению прочности образующейся на деталях масляной пленки,
что снижает вероятность ее разрушения при увеличении нагру-
зок и тем самым уменьшает изнашивание. Защитный слой повы-
354
шенной прочности образуется также вокруг частиц минерального
происхождения, предотвращая в известной мере вызываемое
этими частицами абразивное изнашивание. Указанные положе-
ния убедительно подтверждаются многочисленными данными
экспериментальных и эксплуатационных исследований.
Присутствие в масле воды (особенно соленой) приводит к ин-
тенсификации процессов окисления масла с образованием орга-
нических и неорганических кислот, выпаданию шлама, корроди-
рованию чисто обработанных металлических поверхностей (осо-
бенно цапф подшипников и штоков поршней — их поверхность
становится более шероховатой), окислению олова, входящего в
состав подшипниковых сплавов.
Поступающая в масло вода может также вызвать гидролиз вы-
сокощелочных соединений, входящих в состав присадок, и их
кристаллизацию, следствием чего является забивание фильтров и
масляных каналов. Масла с ОЩЧ 10—11 высокощелочных при-
садок не содержат, поэтому в них отмеченное явление не на-
блюдается. В противоположность им масла с ОЩЧ 20 и более
подвержены действию воды, поэтому при обводнении и появле-
нии признаков кристаллизации подлежат замене. Характерно,
что при кристаллизации присадки ОЩЧ масла не меняется.
При попадании в масло пресной воды может произойти зараже-
ние его бактериями, агрессивно воздействующими на металлы,
съедающими присадки. Признаком заражения является появле-
ние у масла резкого запаха, характерного для сероводорода.
9.3. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗАРАЖЕНИЕ МАСЛА
Наряду с микробиологическим заражением топлива нередки
случаи резкого ухудшения свойств масла при попадании в них со-
держащей микробы воды. Масло для микробов является питатель-
ной средой и образующиеся в нем продукты жизнедеятельности
микробов (органические кислоты, сульфид водорода, аммиак
и др.) являются коррозионно-опасными. Они снижают силы по-
верхностного натяжения масла и тем самым способствуют стаби-
лизации образующейся водомасляной эмульсии; изменяются вяз-
кость и химический состав масла, снижается эффективность при-
садок, возникает электрохимический анодный питтинг и пр.
Для биодеградации масла необходима вода. В сухом масле мик-
робные споры не размножаются, но и не погибают. Поступление
воды необходимо лишь в начальный период размножения микро-
бов, в дальнейшем в процессе интенсивного роста микробов вода
образуется как побочный продукт их жизнедеятельности. Опти-
мальная температура для размножения микробов 30—40°С. Для
развития микроорганизмов необходимы также азот, сера, фосфор
355
12*
и другие элементы, которые содержатся в присадках к маслам и
воде.
В пораженном микробами масле, как правило, наблюдается
истощение присадки, а образующаяся стойкая водомасляная
эмульсия резко ухудшает смазочные свойства масла, интенсифи-
цируется изнашивание. На смазываемых поверхностях образует-
ся пленка золотисто-коричневого цвета, состоящая из сульфата
кальция со следами железа, меди, никеля, натрия и цинка. Вхо-
дящие в состав пленки вещества выполняют роль электролита, в
присутствии которого происходит электрохимическая коррозия
металла цапф и подшипников, их поверхности изъязвляются глу-
бокими оспинами очень маленького диаметра. Вокруг отверстий,
подводящих масло, поверхность не повреждается, так как боль-
шая скорость потока препятствует образованию упомянутой
пленки. Если процесс микробного заражения вовремя не остано-
вить, масло может полностью потерять свои смазочные свойства
и вызвать сильную коррозию трущихся поверхностей.
Признаки микробного заражения’, образование стойкой эмуль-
сии масла с водой, масло приобретает молочный оттенок; повы-
шение кислотности масла; образование на шейках вала и цап-
фах крейцкопфа пленок цвета меди; возникновение коррозион-
ного питтинга; появление ржавчины на чисто обработанных
стальных поверхностях и черного "графитового” питтинга чугуна;
образование черных пятен на белом металле подшипников; ско-
пление шлама в картере; быстрое загрязнение масляного фильт-
ра, особенно при волнении; появление у масла неприятного рез-
кого запаха сероводорода; отставание и размягчение краски кар-
тера, ее обесцвечивание.
Появление указанных признаков свидетельствует о том, что
процесс заражения зашел уже настолько далеко, что единствен-
ным средством борьбы с микробами является полное удаление
масла из системы и его сжигание. Масляная система, в том чис-
ле трубопроводы и цистерны, должна быть тщательно очищена
от шлама и отложений с предварительным ее пропариванием, а
затем промыта маловязким маслом. Только после этого систему
можно заполнить свежим маслом.
На ранней стадии заражения, когда только начинают появ-
ляться признаки наличия трудно разделяемых в сепараторе
эмульсий, микробы можно уничтожить путем нагревания масла в
течение 1—2 ч до температуры 80—90°С. Регулярное проведение
таких нагревов предотвращает размножение микробов, но не га-
рантирует полную стерилизацию системы, так как микробы мо-
гут сохраниться в трубопроводах и емкостях.
356
9.4. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА,
БРАКОВОЧНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ МАСЛА
Кинематическая вязкость. Увеличение кинематической вяз-
кости v, мм2/с, в процессе работы свидетельствует об образова-
нии в масле высокомолекулярных высоковязких продуктов окис-
ления. Вязкость определяют с помощью вискозиметра Остваль-
да— Пинкевича или вискозиметра ротационного типа.
Для оценки отклонения вязкости от исходного значения
можно рекомендовать метод, используемый в комплекте "Мо-
бил тест КИТ" и основанный на сравнении вязкости проб ис-
следуемого и свежего масла того же сорта. Для этого прибор
"Флоустик" (рис. 9.6) устанавливают горизонтально, отсеки 2 за-
полняют отработавшим и свежим маслом, отсеки 1 являются пе-
реливными. Через несколько минут, необходимых для выравни-
вания температур, прибор наклоняют, и оба потока масла начи-
нают перетекать вниз в канавки. Когда свежее масло достигает
средней отметки, прибор возвращается с горизонтальное поло-
жение. Если поток отработавшего масла остановился между мет-
ками "wax" и "min", то отклонение вязкости находится в допусти-
мых пределах. Если же поток не дошел до отметки "max", то мас-
ло имеет чрезмерную вязкость, а если перешел отметку "niin", это
означает недопустимое снижение вязкости.
Температура вспышки fBCn. Этот показатель служит для контро-
ля за разжижением масла топливом: падение температуры, как
правило, свидетельствует о разжижении масла. Установить на-
личие в масле средне- и тем более высоковязкого топлива по тем-
пературе вспышки и вязкости довольно трудно, так как разница
этих показателей у топлив и масел значительно меньше, а в от-
дельных случаях вязкость топлив даже превышает вязкость масел.
Температуру вспышки определяют в закрытом аппарате Бренкена.
Кислотно-основные свойства. С падением щелочности масла и
появлением в нем кислотных продуктов и нерастворимых соеди-
нений связана срабатываемостъ присадок, обладающих нейтра-
Рис. 9.6. Прибор "Флоустик" для сопоставительной оценки вязкости отработав-
шего и свежего масла:
7, 2 — отсеки; 3 — канавки
357
лизующими и детергентно-диспергирующими свойствами. В ра-
ботавшем масле могут присутствовать одновременно основания
(щелочи) и кислоты в одной из следующих комбинаций: силь-
ные кислоты и слабые основания, слабые основания и слабые
кислоты, сильные основания и слабые кислоты. Силу кислотно-
основных продуктов в работающем масле определяют сопостав-
лением потенциала pH исследуемой системы с потенциалами,
соответствующими конечным точкам титрования характерных
слабых кислот или слабых оснований. Значение потенциала, со-
ответствующее основному (щелочному) буферу, pH = 11, а для
кислотного буфера pH = 4 (рис. 9.7). Значение водородного по-
казателя pH в отличие от кислотного числа непосредственно ука-
зывает на коррозионную активность масла; более низкому pH
соответствует бдльшая коррозионная активность.
Кислотное число определяют методом потенциометрического
титрования. Рост ОКЧ свидетельствует о накоплении в масле
минеральных и органических кислот.
Образование в масле органических кислот является следстви-
ем окисления углеводородов в результате взаимодействия с ки-
слородом воздуха в условиях высоких температур. Органические
кислоты корродируют подшипниковые сплавы, включающие
цветные металлы (подшипники из свинцовистой бронзы, кад-
миево-серебряные и др.). Количество содержащихся в масле ор-
ганических кислот является показателем его коррозионной аг-
рессивности и потенциальной склонности к отложению лаковых
пленок и образованию нагаров. Минеральные кислоты являются
продуктами сгорания сернистого топлива и попадают в циркуля-
ционное масло вместе с отработавшим в цилиндре маслом. В от-
личие от органических кислот минеральные кислоты вызывают
коррозию прежде всего черных металлов (стали, чугуна).
Механические примеси. Не растворимые в масле загрязнения
оказывают большое влияние на эксплуатационные свойства мас-
ла. Их определяют путем выделения из масла методом центрифу-
гирования не растворимого в бензине типа "Галоша" осадка. В
осадке находятся все продукты дисперсной фазы, состоящие из
органических и неорганических примесей (продуктов износа).
Рост осадка свидетельствует об увеличении содержания в масле
загрязняющих примесей.
pH=11
pH-**
Сильные
кислоты
Кислоты
Общие основания
Сильные
основа-
ния
Рис. 9.7. Оценка кислотных и щелочных
свойств масел по водородному показа-
телю
о $
1
358
Диспергирующе-стабилизирующая способность масла. Этот по-
казатель масла можно определять методом пятна. Масляное пят-
но получают путем нанесения капли из тщательно перемешан-
ной пробы на белую фильтровальную бумагу. Через 24 ч после
высыхания каплю визуально исследуют на наличие зоны цен-
трального темного ядра, в котором концентрируются нераство-
римые загрязнения, и зоны диффузии мелкодиспергированных
в масле нерастворимых загрязнений. Чем шире зона диффузии,
тем лучше диспергирующе-стабилизирующие свойства масла.
Масла с высоким содержанием моюще-диспергирующих при-
садок образуют сплошную зону диффузии, по мере срабатывания
присадок наблюдается появление ядра. В случае полного сраба-
тывания присадок или их отсутствия в масле зона диффузии от-
сутствует. Наличие вокруг ядра ярко-желтого или светло-ко-
ричневого ореола свидетельствует о воздействии на масло высо-
ких температур, а ярко выраженной черной окантовки с рваны-
ми краями — о наличии воды в масле.
Исследуемые пятна масла рекомендуется хранить и каждое
новое пятно сопоставлять с ранее полученными. Резкое ухудше-
ние вида свежего пятна может служить сигналом появления ава-
рийной ситуации.
Содержание в масле воды. В качестве экспресс-метода определе-
ния наличия воды в масле можно рекомендовать раскаленную ме-
таллическую пластинку, на которую наносят каплю масла. При на-
личии воды нагрев капли будет сопровождаться характерным потре-
скиванием, обусловленным бурным выходом из капли паров воды.
Для экспресс-анализа количества находящейся в масле воды
можно воспользоваться комплектом "Мобил вотер тест КИТ".
Принцип действия прибора основан на химической реакции ме-
жду вводимым в масло гидридом кальция и находящейся в масле
водой, в результате чего образуется газ. Объем образовавшегося
газа прямо пропорционален количеству воды в пробе масла, а по
объему жидкости (керосина), вытесненной в сборник газом,
можно точно определить количество воды.
Оценка качества масла. Из перечисленных показателей каче-
ства масла непосредственно в судовых условиях можно (при на-
личии переносной лаборатории) определять вязкость (ее измене-
ние), щелочное число, содержание в масле механических приме-
сей, его стабилизирующе-диспергирующую способность. Осталь-
ные показатели могут быть определены в теплотехнических лабо-
раториях пароходств по направляемым пробам масла.
Рекомендуется следующая периодичность отбора проб: для экс-
пресс-анализа на судне — через каждые 150 ч работы тронковых и
500 ч работы крейцкопфных дизелей; для анализа в лабораториях —
через каждые 500 ч тронковых и 1500 ч работы крейцкопфных ди-
359
зелей. При подозрениях о попадании в масло воды и большого ко-
личества топлива проверки должны быть более частыми.
Информацию об изменении состояния дизеля или системы
смазывания можно получить путем анализа изменения основ-
ных показателей качества масла. В нормальных условиях измене-
ние показателей носит монотонный характер, а всякое резкое из-
менение одного или нескольких показателей говорит об ухудше-
нии эксплуатационных свойств масла и должно служить серьез-
ным предупреждением. Таким образом, контроль за качеством
масла в эксплуатации, анализ изменения его показателей в тече-
ние времени может служить средством диагностирования тех-
нического состояния дизеля.
Косвенными признаками изменения свойств масла в связи с
его старением являются: увеличение в дизеле осадкообразования,
лакообразование на чисто обработанных поверхностях деталей
КМШ, нагарообразование на поршне, появление у масла харак-
терного запаха и капель воды на смотровых стеклах, шелушение
и вспучивание краски в картере.
Браковочные показатели. Физико-химические процессы старе-
ния масла приводят к общему ухудшению масла, выражающемуся
в необратимых процессах его окисления, срабатывании присадок
и ухудшении моюще-диспергирующих и нейтрализующих свойств,
появлении сильных кислот, накоплении механических примесей
и росте вязкости. Противоположное действие, направленное на
улучшение показателей масла, оказывают доливки свежего масла в
систему в связи с его угаром и применение очистки. Действуя в
совокупности, перечисленные процессы обычно приводят к стаби-
лизации свойств масла. При этом в зависимости от соотношения
положительно и отрицательно действующих факторов показатели
стабилизируются в различное время и на разных уровнях.
В качестве примера на рис. 9.8 показано изменение показате-
лей состояния масла М10Г2ЦС в дизеле Вяртсиля 14Т в течение
5000 ч при удельном расходе масла 0,7—1 г/(кВт-ч) и работе на
дизельном, газотурбинном и средневязких сортах топлива. Как
видно из рис. 9.8, значения водородного показателя pH, характе-
ризующего кислотно-основные свойства масла, уменьшаются,
вязкость и содержание в масле осадка НРБ неуклонно увеличи-
ваются (штриховыми линиями показан предельный уровень).
При работе на легких сортах топлива (дизельном и газотур-
бинном) переходный процесс стабилизации затягивается до 2—
2,5 тыс. ч и качество масла поддерживается на более высоком
уровне. При работе на топливах, содержащих большее количест-
во серы и асфальтенов (ДТ и Ф-5), стабилизация происходит бы-
стрее, и через 1500—2000 ч работы устанавливаются значительно
худшие значения качественных показателей масла. Стабилизация
360
Рис. 9.8. Зависимость показателей со-
стояния масла от наработка при работе
дизеля на топливах дизельном и газо-
турбинном (7), моторном ДТ и мазуте
Ф-5 (2)
pH
7
3
v,aa, ммг/с
НР6,%
Z 3 4 Z4'1Q3
показателей качества масла свидетельствует о естественном, нор-
мальном процессе его старения в процессе работы.
Решение о необходимости улучшения качества масла или (как
крайний случай) его замены принимают в результате сопоставле-
ния эксплуатационных показателей; характеризующих основные
направления его старения, с их предельно допустимыми брако-
вочными значениями (табл. 9.1). Последние устанавливают на ос-
новании опыта эксплуатации для разных двигателей и сортов
масла, в то время как состав показателей для всех случаев одина-
ков (кинематическая вязкость, содержание нерастворимого осад-
ка, температура вспышки, щелочное число, дополняющий его
водородный показатель pH, кислотное число). Кроме того, каче-
ство масла определяют по содержанию водорастворимых кислот
и щелочей, содержанию топлива и воды и путем анализа капель-
ной пробы (по цвету и структуре пятна).
Применительно к современным высоконапряженным СОД и
топливам со значительно худшими показателями качества приве-
денные нормы являются явно завышенными и их можно рассмат-
ривать лишь в качестве пороговых, за пределами которых необхо-
димо принимать меры по очистке, разбавлению масла свежим или
его полной замене. Большинство двигателестроителей дают свои
рекомендации по браковочным показателям и следует руково-
дствоваться ими. Но и здесь нужно учитывать индивидуальные
особенности каждого дизеля, режимы его работы, техническое со-
стояние, качество используемого топлива и пр., т. е. к нормам
двигателестроителям нужно подходить творчески, используя их
как ориентир.
361
362
Таблица 9. 1
Показатель
Судовой метод анали-
за
Браковочный показатель
Примечание
Кинематическая
вязкость
Содержание нерас-
творимого осадка
Температура
вспышки в открытом
тигле
Щелочное число
pH спиртотолуольного
раствора
Экспресс-метод
"Мобил Флостик"
Капельная проба
СКЛАМТ
При разбавлении топливом
±20 %, при отсутствии топлива
±30 % кинематической вязкос-
ти свежего масла (масса)
Более 1 % (масса) для дизелей
крейцкопфных, более 2,5 % —
для главных СОД, более 4 % —
для вспомогательных
Ниже 170°С
Менее 10 % значения ще-
лочного числа свежего масла в
циркуляционных системах сма-
зывания крейцкопфных дизе-
лей; менее 5 мг КОН/г в
циркуляционных системах сма-
зывания главных СОД и менее
2 мг КОН/г — вспомогательных
дизелей
Менее 5,5
При доливке масел других сортов ще-
лочное число смеси не должно падать ниже
значения браковочного показателя масла,
рекомендованного при работе дизеля на
данном топливе. При использовании для
смазывания тронковых дизелей масел груп-
пы "В" масло заменяют, если его щелочное
число менее 20 % щелочного числа свежего
масла
При определении щелочного числа пря-
мым титрованием отмечают начальное
значение pH спиртотолуольного раствора
Кислотное число
Содержание:
водорастворимых
кислот и щелочей
топлива
воды
Капельная проба
w __________________
2 мг КОН/г
СКЛАМТ pH ниже 4,5
Более 5 %
СКЛАМТ
Физико-химичес-
кий контроль ра-
бочих сред судово-
го оборудования
Более 0,5 % для главных
МОД, более 0,3 % для глав-
ных СОД
Цвет пятна черный, блес-
тящий, его размер близок к
размеру нанесенной капли
масла, вокруг пятна отсут-
ствует зона диффузии
В среднеоборотных дизелях для масел
групп "Г" и "Д" при pH = 5,5 и кислотном
числе менее 2 мг КОН/г, если остальные
показатели масла находятся на безопасном
уровне и окисление масла не связано с
поступлением газов из цилиндров в картер,
рекомендуется доливка свежего масла в ко-
личестве 10—15 % масла, находящегося в
системе, для повышение его нейтрали-
зующих и других свойств
Показатель определяют только в
крейцкопфных дизелях, работающих
на маслах без присадок
Определяют только в маслах вспо-
могательных дизелей
При баббитовых подшипниках допуска-
ется содержание воды до 1 %, если кислот-
ное число масла не более 1 мгКОН/г
Интересен подход фирмы "Шелл”, устанавливающей для ос-
новных показателей три ступени их изменения. Так, отклонение
вязкости на ±10% считается нормальным, отклонение ±(10 -г
15)% требует внимания, а отклонение более ±15% указывает на
необходимость принятия активных мер. Важно понимать, что
рост вязкости масла не столь опасен для двигателя, так как это
может быть сопряжено в основном с увеличением потерь на тре-
ние, в то время как уменьшение вязкости влечет за собой сниже-
ние несущей способности масляного слоя в подшипниках. А это
может привести к серьезной аварии. В связи с этим интересна
рекомендация фирмы ’’Зульцер”, которая допускает увеличение
вязкости на 30%, а ее снижение до — 20%.
Аналогичен подход и к температуре вспышки масла. Ее падение,
как известно, сопряжено с попаданием в масло топлива. Если темпе-
ратура выше 190°С — это нормально, 190—160°C — внимание! (ищите
и устраняйте причину), ниже 160°С — недопустимо (возникает опас-
ность взрыва паров масла в картере) — масло требует замены.
Снижение общего щелочного числа свидетельствует об исто-
щении присадок в масле. Если для малооборотных двигателей
этот показатель не столь важен и допускается снижение ОЩЧ
системного масла до уровня 10%, то к ОЩЧ системного масла
среднеоборотных форсированных дизелей предъявляются более
высокие требования. Большинство фирм-изготовителей СОД до-
пускают падение щелочности не более чем на 50%. Но в любом
случае не следует допускать снижение щелочности ниже 10 мг
КОН/г. Подтверждением служит рис. 9.8, иллюстрирующий
влияние щелочности масла на скорость нагарообразования на
поршне. Последняя весьма значительна на начальном участке
кривой и лишь при ОЩЧ 9—10 мг КОН/г скорость роста отло-
жений существенно уменьшается.
Содержание воды не должно превышать 0,3%.
9.5. ОЧИСТКА МАСЛА
Загрязнение масла. Из числа эксплуатационных показателей,
изменяющихся в процессе старения масла, наиболее важны ко-
личество и эффективность действия оставшихся в масле приса-
док, содержание и состав механических примесей. В самом деле,
если не рассматривать иногда наблюдающиеся в дизеле случаи
разжижения масла топливом и их обводнения (а это может быть
объяснено лишь неисправностями в работе систем топливопо-
дачи и охлаждения), можно считать, что изменение любых пока-
зателей работающего масла является причиной или следствием
процессов загрязнения масла продуктами неполного сгорания
топлива, окислительной полимеризации, срабатывания компо-
364
нентов присадок, износа деталей. Скорость накопления меха-
нических загрязнений в системе смазывания и уровень, на кото-
ром стабилизируется их содержание, зависят от объема системы,
а следовательно, и кратности циркуляции масла в ней, скорости
поступления загрязнений и интенсивности очистки масла.
При достаточно полном удалении из масла продуктов старе-
ния можно считать, что химический состав базовой части картер-
ного масла в течение достаточно длительного времени работы
его в двигателе сравнительно мало отличается от состава свеже-
го масла, т. е. сохраняет свои эксплуатационные свойства. Это
обстоятельство позволяет продлевать сроки службы масла благо-
даря его эффективной очистке в процессе эксплуатации от про-
дуктов термического разложения, окисления, износа и других за-
грязнений, а также благодаря компенсации отработавшей части
присадки путем доливки свежего масла.
Общее содержание механических примесей в масле еще не оп-
ределяет его влияния на изнашивание деталей. Важны качествен-
ный состав примесей и их распределение по размерам частиц. Со-
временные масла содержат диспергирующие присадки, которые
обволакивают частицы механических примесей и препятствуют их
слипанию. Благодаря этому частицы имеют малые размеры и рав-
номерно распределяются по объему масла, которое из-за наличия
взвешенных частиц представляет собой суспензию. Чем выше дис-
пергирующие свойства масла (больше ОЩЧ), тем больше спектр
загрязнения смещается в сторону меньших размеров частиц.
Дисперсный состав загрязнений зависит не только от эффек-
тивности действия диспергирующей присадки, но и от характе-
ристик средств очистки в системе смазывания: пропускной спо-
собности Q, л/ч, — количества масла, пропускаемого через агре-
гат очистки в единицу времени; коэффициента очистки — отно-
шения массы задерживаемых очистителем примесей к массе
примесей, содержащихся в грязном масле, ср = (б^ — GOCT)/Gg
(где Gq — концентрация механических примесей в масле перед
очистителем; G0CT — масса механических примесей в масле, про-
шедшем очистку); тонкости отсева — наибольшего размера час-
тиц загрязнений в масле, прошедшем очистку.
Важное значение имеет также способ включения агрегатов
очистки в систему смазывания. Когда весь поток масла, направ-
ляемого к дизелю, пропускается через агрегат очистки, такой
способ включения называется полнопоточным, если же только
часть масла проходит через агрегат очистки, то способ называет-
ся частично-поточным, или байпасным.
В масляных системах судовых дизелей применяют фильтры,
центробежные маслоочистители с гидрореактивным приводом и
с механическим приводом — сепараторы.
365
Рис. 9.9. Концентрация загрязнений
в масле
Сепарация. Очистку масла в сепараторах применяют в судо-
вых установках с мощными мало- и среднеоборотными дизеля-
ми. Сепараторы настраивают на режим пурификации и
включают в систему смазывания параллельно основной масля-
ной магистрали. Это позволяет осуществлять сепарацию незави-
симо от работы дизеля в режимах периодического или непрерыв-
ного использования (в течение всего времени работы).
В главном дизеле предпочтение отдается непрерывной сепара-
ции, так как это позволяет концентрацию загрязнений в системе
смазывания поддерживать на некотором установившемся уровне
хуст, при котором наступает равенство абсолютных значений ко-
личеств поступающих и удаляемых загрязнений (рис. 9.9, кривая
1). При периодическом включении сепаратора в работу концен-
трация загрязнений в масле меняется (кривая 2). При работе сепа-
ратора (участок /) концентрация загрязнений снижается от хдоп
до xmin> ПРИ его выключении загрязнения накапливаются в систе-
ме и кривая идет вверх (участок II). Продолжительность второго
периода находится в обратно пропорциональной зависимости от
скорости накопления загрязнений в масле, которая в свою очередь
определяется скоростью поступления загрязнений из дизеля и эф-
фективностью имеющихся в системе фильтров. При достижении
заданного допустимого уровня концентрации загрязнений хдоп се-
паратор необходимо включить в работу, в противном случае уско-
ряются старение масла и изнашивание дизеля.
Периодической сепарации обычно подвергаются масла вспо-
могательных дизелей, так как она осуществляется с использова-
нием сепараторов главного дизеля. В этом случае продолжитель-
ность сепарации должна быть не менее 8—10 ч. Остальное время
масло очищается полнопоточными фильтрами тонкой очистки,
а у некоторых дизелей — байпасно подключенными гидрореак-
тивными центрифугами.
При определении подачи сепаратора необходимо исходить из
задачи максимально возможного удаления загрязняющих масло
примесей. Как известно, снижение подачи сепаратора способст-
вует более полной очистке, но в то же время уменьшается ко-
личество пропускаемого за единицу времени через сепаратор
366
масла. Это приводит к уменьшению задерживаемых частиц. Не-
обходимо искать оптимальную подачу: для масел без присадок
или с небольшим их содержанием 0ОПТ - 40 -н 50% 0пасп, Для
масел, обладающих высокими детергентно-диспергирующими
свойствами, СоПТ 20 -н 25% Спасп- Это объясняется тем, что в
маслах с моюще-диспергирующими присадками загрязняющие
примеси меньших размеров, их удаление требует более длитель-
ного воздействия центробежных сил и вследствие этого умень-
шения скорости потока масла в сепараторе путем уменьшения
подачи.
В судовых условиях оптимальную подачу определяют по ско-
рости поступления удаляемых загрязнений в шлам сепаратора.
Действительно, чем больше в единицу времени накапливается в
шламе загрязнений, тем больше их удаляется из масла. Практиче-
ски найти 2ОПТ можно, если для нескольких положений клапана,
регулирующего подачу сепаратора, измерять в течение 2—12 ч ко-
личество сбрасываемого из барабана шлама. Положение клапана,
при котором наблюдается наибольший выход загрязнений, и бу-
дет соответствовать Оппт.
Температура масла перед сепаратором в целях снижения вяз-
кости и повышения эффективности очистки должна поддержи-
ваться: 60—70°С для масел без присадок и 80—90°С для масел с
присадками.
Фильтрование. В системах смазывания судовых дизелей при-
меняют фильтры, которые по тонкости отсева подразделяют на
фильтры грубой очистки (размер задерживаемых частиц не пре-
вышает 60—90 мкм) и фильтры тонкой очистки (тонкость отсева
не более 35—40 мкм). В зависимости от схемы включения и ко-
личества проходящего масла фильтры могут быть полнопоточны-
ми (в основном ФГО, реже ФТО) и частично-поточными (в ос-
новном ФТО, так как они обладают большим сопротивлением и
вследствие этого меньшей пропускной способностью). Через
частично-поточные фильтры проходит лишь часть потока масла
(обычно не более 8—15%).
По принципу действия и конструкции фильтрующих материа-
лов фильтры делят на следующие виды:
щелевой, в котором поступившее под давлением масло прохо-
дит через щели, образуемые набором специальных пластин и
прокладок, где и происходит его очистка (фильтроэлементы ти-
пов АСФО, ДАСФО, проволочно-щелевые фильтры и др.);
объемный (глубинный), в котором масло в процессе очистки по-
следовательно проходит через несколько слоев фильтрующего
материала (фильтры с набивкой из войлока, хлопчатобумажных
тканей, шлаковой ваты, бумажной массы и т. д.);
367
поверхностный, в котором масло проходит через фильтрующий
материал со сквозными порами (металлическая сетка, фильтро-
вальные ткани и т. д.).
Промежуточное положение занимают целлюлозно-бумажные
филътроэлементы, которые совмещают в себе характерные при-
знаки фильтров поверхностного и объемного типов.
Особо следует рассматривать магнитные фильтры, применяе-
мые для удаления из масла металлических частиц — продуктов
износа двигателя, поскольку принцип их действия только услов-
но может быть назван фильтрацией.
Фильтры грубой очистки недостаточно глубоко очищают мас-
ло от нерастворимых примесей и абразивных продуктов, находя-
щихся в современных маслах в мелкодисперсном состоянии. При
использовании только ФГО по сравнению с тонкой очисткой мас-
ла в 2,5 раза ускоряется изнашивание деталей и в 1,6 раза — за-
грязнение поршней углеродистыми отложениями. Современные
дизели, имеющие более высокий уровень форсировки рабочего
процесса и в связи с этим более напряженные условия работы
цпг и подшипниковых узлов, более чувствительны к качеству
масла. Этим объясняется отмечаемый в последние годы переход
к использованию полнопоточных ФТО вместо ФГО.
В судовых дизелях в целях сокращения трудоемкости обслу-
живания и обеспечения возможности автоматизации работы
средств очистки в дополнение к 35—40-микронным полнопо-
точными ФТО устанавливают байпасно включенные в систему
сепараторы, а на дизелях небольшой мощности (вспомогатель-
ных ДГ) — гидрореактивные центрифуги. Центробежные масло-
очистители благодаря высокой разделяющей способности обес-
печивают более глубокую очистку масла, удаляя тонкодисперги-
рованные зольные продукты его старения и воду.
Глава 10
МАСЛА ДЛЯ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ
И УСТРОЙСТВ
10.1. ТУРБИННЫЕ МАСЛА
Функции масла, поступающего на смазывание ТЗА и газотур-
бокомпрессоров, в основном заключаются в уменьшении трения
в подшипниках и зубчатых соединениях, снижении износа и
предотвращении задиров в трущихся парах, отводе теплоты от
поверхностей трения, защите металла от коррозии.
Турбинное масло используют также в качестве рабочей жидкости
в гидросистемах регулирования и управления ТЗА. Условия работы
масла в перечисленных механизмах значительно легче, чем в ДВС,
но имеют свою специфику. В турбинных установках масло исполь-
зуется значительно дольше и почти не обновляется добавками све-
жего масла, так как расход невелик [0,01—0,14 г/(кВт*ч)], поэтому
требование к стабильности масла в течение нескольких лет службы,
способности длительное время сохранять свои свойства и в первую
очередь противостоять окислению является одним из главных.
В результате окисления повышаются плотность и вязкость,
ухудшается деэмульгирующая способность, образуются раствори-
мые в масле кислые продукты, обусловливающие рост его корро-
зионной агрессивности. Плотные продукты окисления выпадают
в осадок, появление смолистых соединений приводит к потемне-
нию масла. На окислительные процессы в бодьшой мере влияет
скорость диффузии кислорода, зависящая от его парциального
давления и площади соприкосновения с маслом. Распыливание,
разбрызгивание, барботирование, вспенивание масла создают ус-
ловия для интенсивного растворения кислорода и роста скорости
реакций окисления. Последняя увеличивается также с повышени-
ем температуры масла, а по достижении температуры 100°С каж-
дые последующие 10°С увеличивают скорость окисления вдвое.
В течение длительной работы турбинной установки в масле
накапливается влага в видс росы на стенках сточных и напорных
масляных цистерн, проникающая через лабиринтовые уплотне-
ния и из протекающих масляных холодильников. Вода усугубля-
ет коррозионное воздействие, особенно в присутствии в масле
кислот. Высокомолекулярные органические кислоты неспособны
369
непосредственно воздействовать на металлы, но в присутствии
воды активно реагируют с оксидами металлов. Образующиеся
металлические мыла органических кислот, растворимые в масле
и выпадающие в осадок, являются сильными катализаторами
дальнейшего окисления масла. Таким образом, окисление вызы-
вает не только загрязнение масла продуктами окисления, но и
приводит к коррозии металла.
Для борьбы с коррозией и окислением в масла вводят анти-
окислительные и антикоррозионные присадки. В турбинные
масла вводят также противоэмульгирующие присадки, предна-
значенные для борьбы с образованием стойких эмульсий, неже-
лательность которых обусловливается следующими причинами:
вязкость эмульсии типа "вода в масле” выше вязкости масла, что
увеличивает сопротивление течению; масло перестает быть одно-
родным, ухудшаются его смазывающие свойства в условиях гра-
ничного трения; вода усугубляет окисление масла, ржавление
смазываемых деталей, эрозионный износ и окисление баббита.
В светлых турбинных маслах вода легко обнаруживается по их
помутнению. Турбинные масла должны быть стойкими против
аэрации, не вспениваться и не увлекать воздух с собой.
Ассортимент выпускаемых в России турбинных масел', масла с
присадками ТП22, ТПЗО и ТП46, без присадок ТЗО, Т46 и Т57.
Цифры в маркировке означают вязкость масла при 50°С. Число
деэмульсации масел ТП и Т не более 5 мин, температура вспышки
не ниже 190—195°С, температура застывания не выше —10°.
Для газотурбокомпрессоров, главных и вспомогательных па-
ровых турбин рекомендуются масла средневязкие Т46 и ТП46,
для газотурбокомпрессоров может быть также использовано мас-
ло ТПЗО.
Рекомендуемые сорта зарубежных турбинных масел: Шелл Турбо
ОилТ68, Мобил ДТЕ-Оил Хэви Медиум, ВР Энергол ТНВ68, Каст-
рол Перфекто-46. Допускается смешивание масел ТП46 и Шелл
Турбо Ойл Т68, но совершенно недопустимо смешивание турбинных
масел с моторными (дизельными), так как содержащиеся в моторных
маслах моющие присадки могут вызвать ухудшение стойкости масла
к аэрации. Поэтому приемка турбинных масел должна вестись от-
дельными шлангами и в специально предназначенные цистерны.
Рекомендации по эксплуатации масел в турбокомпрессорах.
Учитывая относительно небольшую массу находящегося в турбо-
компрессоре масла, рекомендуется заменять его через 1000 ч, в
случае же работы дизеля в основном на нагрузках около ,70% до-
пускается смена через 1500 ч. Если проверка качества масла в ла-
боратории покажет, что вязкость его не изменилась и кислотное
число не превышает 2 мг КОН/г, срок службы масла может быть
продлен до 2000 ч.
370
Срок службы подшипников турбокомпрессора в зависимости от
испытываемых ими нагрузок под действием аксиальной и радиаль-
ной сил и частоты вращения ротора определяется 8 тыс., 12 тыс.
или 16 тыс. ч. Эти цифры ресурса гарантируются фирмой при
условии соблюдения всех перечисленных требований к маслу.
Ресурс подшипников может быть увеличен в 1,5 раза при ус-
ловии, что мощность дизеля 70% или менее. Установленные на
валу турбокомпрессора масляные насосы следует проверять и ре-
монтировать через 16 тыс. ч.
10.2. КОМПРЕССОРНЫЕ МАСЛА
Масла для воздушных компрессоров. Основная задача масел в
воздушных компрессорах состоит в уменьшении износа трущих-
ся поверхностей, снижении расхода энергии на трение, отводе
теплоты от пар трения и повышении уплотняющего действия
поршневых колец и сальников.
Исходя из перечисленных функций, а также учитывая условия
работы, компрессорные масла должны удовлетворять следующим
требованиям: обладать достаточно высокой вязкостью при высо-
ких температурах (от вязкости зависят смазывающие свойства и
способность масла уплотнять зазоры); противостоять окислению
в среде воздуха, сжимаемого до высоких давлений и температур
(обладать высокой термоокислительной стабильностью); иметь
высокие температуры вспышки и воспламенения; быть совмести-
мыми с конструкционными и уплотняющими материалами.
При выборе вязкости масла нужно иметь в виду, что высоковяз-
кие масла отличаются слабой испаряемостью, но более склонны к
окислению и образованию лаков и нагаров. Нагарообразование
ухудшает работу поршневых колец, способствует увеличению износа
деталей ЦПГ, утечек сжатого воздуха в картер и забросу масла в ци-
линдры, что приводит к росту его расхода и нагарообразованию не
только на поршнях, но и на клапанах. Это в свою очередь ведет к
потере ими герметичности и снижению подачи компрессора.
Маловязкие масла обладают высокой летучестью, поэтому
при рабочих температурах 150—250°С их легкие фракции ис-
паряются и попадают в сжимаемый воздух. При концентра-
ции паров масла в воздухе более 0,05 мг/м3 его необходимо
очищать, иначе возможно образование взрывоопасной смеси.
Улетучивание легких фракций из масла с течением времени
приводит к утяжелению его состава и росту вязкости.
При выборе, помимо изложенных замечаний, нужно учи-
тывать тип компрессора, среднюю скорость поршней, давле-
ние и температуру нагнетания.
371
Рекомендуемые сорта масел'.
компрессорное масло КС 19 селективной очистки, получен-
ное из сернистых нефтей; обладает хорошей термической и хи-
мической стабильностью; рекомендуется для поршневых, в том
числе многоступенчатых и ротационных компрессоров и возду-
ходувок при температуре воздуха на выходе не более 180°С; дуб-
лирующие марки К12 и К19 — нефтяные масла сернокислотной
или селективной очистки; вместо масла К19 может также приме-
няться авиационное масло МС20С;
компрессорное масло К28 — остаточное масло селективной
очистки, применяемое также для смазывания поршневых и рота-
ционных компрессоров и воздуходувок;
компрессорное масло ЭК20 — высоковязкое масло селективной
очистки из малосернистых нефтей с присадками ЦИАТИМ339 и
ПМС200А (антипенный компонент); рекомендуется для теплона-
пряженных судовых электрокомпрессоров ЭКЗОА и им подобных;
масло моторное МЮГ2ЦС с влагостойкими присадками, обла-
дающее хорошими моющими и нейтрализующими свойствами;
может быть использовано для смазывания поршневых компрес-
соров с давлением нагнетания не более 4 МПа.
В последние годы все чаще стали применять масла зарубеж-
ного производства, в частности фирмы* ВР — Energol RC68, 100 и
150 мм2/с (сСт), а также фирмы Кастрол ~ Aircol PD68 или
100 мм2/с (сСт). Эти масла разработаны применительно к порш-
невым компрессорам, имеющим температуру нагнетания до
220°С; они характеризуются высокой термоокислительной ста-
бильностью и малой склонностью к отложениям; могут исполь-
зоваться также в подшипниках, работающих при высоких темпе-
ратурах.
Особый класс компрессорных масел составляют синтетиче-
ские масла в отличие от масел, приготовленных на нефтяной ос-
нове, обладающие значительно меньшей испаряемостью, более
высоким индексом вязкости, сохраняющие свои свойства при
значительно более высоких температурах, практически не
дающие нагарных отложений и обладающие в несколько раз бо-
лее высоким сроком службы. В частности, в турбокомпрессорах
срок службы синтетических масел достигает 5 тыс. ч. Их единст-
венный недостаток — более высокая стоимость. К числу синте-
тических масел, рекомендуемых для компрессоров, относятся
масла ВР Energol RC-S и Castrol Aircol SN32, 68, 100.
Масла для компрессоров холодильных установок. Функции,
выполняемые маслами в компрессорах холодильных установок,
аналогичны таковым в воздушных компрессорах, но существуют
и различия, заключающиеся в контакте масел с хладагентом, их
смешивании с ним и попадании в зоны низких температур. Эти
372
обстоятельства накладывают дополнительные требования к мас-
лам, предназначенным для работы в рефрижераторных установках.
При выборе масла нужно исходить не только из конструктивных
особенностей компрессора, его быстроходности, но и обязательно
принимать во внимание отрицательные температуры хладагента в
системе, вид применяемого хладагента. В частности, если ком-
прессор имеет герметичный картер, его пространство заполнено
парами хладагента, имеющими умеренную температуру, и воздух
в нем присутствует в небольшом количестве. Это создает благо-
приятные условия для работы масла, окисление его в картере
практически отсутствует, поэтому требование к термической ста-
бильности не столь существенно. В противоположность этому в
больших компрессорах крейцкопфного типа, где полости цилинд-
ра и картера разделены, находящееся в картере масло подвергается
активному воздействию со стороны воздуха, поэтому антиокисли-
тельная способность масла в этих условиях существенна.
Масло, уносимое из цилиндров компрессора хладагентом, об-
разует вязкие смолистые отложения в конденсаторе или откла-
дывается в виде парафина в испарителе, что приводит к сущест-
венному ухудшению в них теплопередачи. Особенно опасно об-
разование парафиновых пробок в узких сечениях редукционного
клапана и в капиллярной трубке.
При загрязнении испарителя требуется для сохранения его хо-
лодопроизводительности уменьшать в нем температуру. Это в
свою очередь вызывает понижение в нем давления и соответст-
венно увеличение перепада давления в компрессоре и потребляе-
мой им мощности. При этом снижается холодопроизводитель-
ность компрессора как следствие уменьшения удельного объема
паров хладагента, вызванного уменьшением их плотности из-за
снижения давления на всасывании компрессора. Образование
теплоизолирующих отложений в конденсаторе увеличивает раз-
ность температур между хладагентом и охлаждающей водой. Ре-
зультатом является рост температуры хладагента в конденсаторе,
что в свою очередь вызывает необходимость в увеличении давле-
ния за компрессором и потребляемой им мощности.
Отложение выпадающих из масла парафинов и смолистых со-
единений зависит от свойств применяемого масла, характеристик
хладагента, температуры в испарителе, наличия в системе масло-
отделителей и иных конструктивных особенностей рефрижера-
торной установки. Очевидна важность той низкой температуры,
при которой происходит выделение из смеси хладагента и масла
парафиновых соединений. Эта температура зависит от химиче-
ского состава хладагента, свойств и процентного содержания
масла в смеси. Также важен состав масла, определяющий харак-
тер парафиновых отложений: кристаллический или аморфный.
373
Температура, при которой в 10 % смеси масла с фреоном по-
являются первые признаки выпадания парафина, называется
температурой помутнения во фреоне. Она не столь существенна,
более важна температура, при которой из смеси выпадают хлопья
парафина. Эта температура ниже температуры помутнения. Здесь
нужно иметь в виду, что если во фреоне, находящемся в испари-
теле, примешано 10 % масла, то фреон, проходящий через редук-
ционный клапан, будет содержать всего 1—2 % масла. При столь
малой концентрации температура выпадания хлопьев понижает-
ся на 10-30°С.
Масло полностью растворяется во фреонах марок 11, 12, 21,
113 и 500 в любых пропорциях, при любых давлении и темпера-
туре. Это приводит к существенному понижению температуры
застывания смеси масла и фреона значительно ниже температур,
которые могут быть в испарителях. Хотя во фреоне 22 при тем-
пературах испарителя масло не растворяется, однако даже не-
большое содержание в нем фреона достаточно для того, чтобы
сместить его температуру застывания за пределы температуры в
испарителе. Этим объясняется, что температура застывания ма-
сел для всех фреоновых установок не столь важна.
В отличие от фреонов аммиак и углекислота не растворяют мас-
ло совершенно. Но масло может увлекаться с потоком хладагента из
цилиндров компрессора в испаритель, где, откладываясь на по-
верхностях, вызывает ухудшение теплопередачи. В этих условиях
хладагент на температуру застывания масла не оказывает влия-
ния, и она приобретает важное значение. Чтобы избежать образо-
вания толстых пленок масла в испарителе, рекомендуется перио-
дически поднимать в нем температуру и стекающее со стенок
трубок масло удалять продуванием.
При выборе вязкости масла для фреоновых установок необхо-
димо учитывать неизбежность попадания фреона в картер и его
растворение в масле, а это существенно понижает вязкость.
Рекомендуемые сорта масел'.
отечественные масла ХАЗО, ХФ22-24, ХФ22с-16 и турбинное
ТЗО;
масло ХАЗО — смесь дистиллятного и остаточного нефтяных
масел; рекомендуется для холодильных машин с поршневыми
компрессорами, работающих на аммиаке и углекислоте, для ам-
миачных холодильных машин с винтовыми и ротационными
компрессорами;
масло ХФ22-24 — маловязкое нефтяное, загущенное полимер-
ной присадкой (Винипол); рекомендуется для одноступенчатых
холодильных машин с поршневыми компрессорами, работающих
на фреоне 22 при температуре кипения не ниже —50°С, а также
на фреонах 12 и 142 при температуре конденсации выше 50°С;
374
масло ХФ12-16 — дистиллятное масло из малосернистых неф-
тей кислотно-контактной очистки; содержит антиокислитель-
ную присадку (дибутилпаракрезол); рекомендуется для холодиль-
ных машин, работающих на фреонах 12 и 142 при температуре
конденсации не выше 50°С;
масло турбинное ТЗО — нефтяное масло кислотно-контактной
очистки; рекомендуется для холодильных турбомашин;
масло ХФ22с-16 — синтетическое масло, значительно превос-
ходящее масла нефтяного происхождения; рекомендуется для од-
но- и двухступенчатых поршневых компрессоров, работающих на
фреоне 22 при температуре кипения до ~70°С; масла ХФ22-24 и
ХФ 22с-16 не взаимозаменяемы и не имеют заменителей.
Заменителями отечественных масел могут служить масла, вы-
пускаемые фирмой ВР:
масла серий LPT и LPT-F вязкостью, мм2/с, при 40°С: 10, 15,
32, 46, 68, 100, 150; масла имеют низкие температуры застывания
и предназначены для использования с широким диапазоном хлад-
агентов; масла LPT-F характеризуются более низкой температу-
рой выпадания хлопьев парафина и рекомендуются для исполь-
зования при более низких температурах испарения (до —60°С);
масла LPS32 или 46, 68, 100 мм2/с имеют синтетическую ос-
нову и рекомендуются для рефрижераторных установок с темпе-
ратурами испарения минус 60—100°С (в подобных условиях ми-
неральные масла работать не могут); могут быть использованы с
хладагентами R13, R22, R502, являются предпочтительными для
установок с мощными аммиачными компрессорами.
10.3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАСЛА
Гидравлические масла используют в качестве рабочей жидкости
для передачи энергии в судовых гидросистемах, применяемых в руле-
вых машинах, электрогидравлических кранах, в люковых закрытиях,
механизмах привода аппарелей, разворота лопастей гребного винта
и др. Исходя из условий работы гидравлические масла должны обла-
дать хорошей текучестью с тем, чтобы сопротивление их течению по
трубопроводам было минимальным, а также способностью снижать
трение в подвижных элементах гидросистем и их износ. Перечислен-
ные качества масла во многом зависят от вязкости, выбор которой
определяется следующими противоречивыми обстоятельствами. Вы-
сокая вязкость способствует упрочнению масляной пленки, уменьше-
нию протекания масла через зазоры и утечек через неплотности. В
свою очередь малая вязкость способствует меньшим потерям в усло-
виях жидкостного трения, меньшему нагреву масла и соответственно
меньшим потерям энергии. Уменьшаются также потери давления
375
при течении масла по трубопроводам, ускоряется реакция гидро-
системы на регулирующие воздействия.
Учитывая перечисленные соображения, приходится искать
компромиссные решения. В первую очередь нужно руководство-
ваться рекомендациями завода-строителя или технических служб
пароходства. Важное значение имеет также техническое состоя-
ние гидросистемы и, если износи значительны, положительный
эффект может быть получен при переходе на более вязкое масло.
Для гидросистем палубных механизмов, работающих в зависимо-
сти от климатических условий в широком диапазоне температур,
особо важное значение имеет индекс вязкости масла. Обычно гид-
равлические масла поставляются с ИВ < 100, но иногда требуются
масла с ИВ = 150 -г 200. Такие масла получают путем введения при-
садок — вязких полимеров, загущающих масло и придающих ему
более пологую характеристику "вязкость — температура".
Характерной особенностью масла с присадками является времен-
ное снижение его вязкости до вязкости базового масла (10—30%),
что происходит при возникновении сдвига между слоями масла,
протекающего в узких сечениях с высокими скоростями. Подоб-
ные ситуации имеют место у вершин лопастей лопастных насо-
сов и гидромониторов, в проходных сечениях клапанов и пр. В
менее жестких ситуациях, когда скорости не столь велики (в ча-
стности, в подшипниках скольжения), потеря вязкости меньше
(около 1/5 разности вязкости масла с присадкой и без нее). В об-
щем случае при выборе вязкости масла исходят из требований,
обусловленных типом гидросистемы и насосов, длиной трубопро-
водов. Минимальная вязкость гидравлического масла определяется
допустимым ее значением на всасывании у насоса. Для поршневых
и лопастных насосов она должна быть не ниже 12 мм2/с. Шесте-
ренные и особенно винтовые насосы нуждаются в маслах более
высокой вязкости до 25 мм2/с.
Максимально допустимая вязкость зависит от типа насосов,
допустимого разрежения на всасывании и допустимой потери дав-
ления в гидросистеме. Максимум вязкости для лопастных и шесте-
ренных насосов составляет 850 мм2/с, для винтовых ~ 500 мм2/с,
для поршневых — 200 мм2/с. Создаваемое на всасывании насоса
разрежение, зависящее от вязкости масла и сопротивления вса-
сывающей магистрали, для лопастных насосов не должно быть
ниже 1,13 МПа, для шестеренных и винтовых — 0,06 МПа, для
поршневых 0,04—0,02 МПа.
Увеличение вязкости и соответствующее снижение давления
на всасывании у насоса, выход его за указанные пределы могут
вызвать появление разрывов сплошности потока и сопутст-
вующих ему кавитационных явлений, что приводит к интенсив-
376
ному изнашиванию насосов. Длительная работа при понижен-
ном давлении на всасывании нередко приводит к выделению из
гидрожидкости растворенного в ней воздуха, который смешива-
ется с жидкостью, существенно повышая ее сжимаемость, а это
вызывает перебои в работе гидропривода.
Превалирующую роль при выборе максимально допустимой
вязкости масла играет падение давления в трубопроводах гидро-
системы, находящееся в прямой зависимости от нее.
Помимо требований к вязкости и вязкостно-температурной
характеристике (ИВ) гидравлических масел, важное значение
имеют: низкотемпературные свойства (температура застывания),
способность снижать износ и предотвращать задиры, антикорро-
зионные свойства, способность противостоять окислению, хоро-
шее отделение воды и способность к деаэрации, способность
противостоять ценообразованию, совместимость с применяемы-
ми в гидросистемах уплотнительными материалами.
Рекомендуемые сорта масел:
гидравлическое А вязкостью 23—30 мм2/с (сСт) при 50°С,
температурой вспышки не ниже 175°С и температурой застыва-
ния не выше —40°С. Масло А рекомендуется для гидросистем
люковых закрытий, гидравлических кранов и рулевых машин,
может использоваться в редукторах палубных механизмов;
гидравлическое МГ30 обладает несколько худшими индексом
вязкости, антипенными и противоокислительными свойствами.
Вязкость масла выше (27—33 мм2/с), температура застывания на
5°С ниже; применяется как заменитель масла А.
Для гидросистем судов, эксплуатируемых в арктических усло-
виях, рекомендуется менее вязкое (но не менее 10 мм2/с) высо-
кокачественное масло МГЕ10А с температурой застывания не
выше —70°С.
В международной практике гидравлические масла в соответст-
вии с классификацией ISO получили следующие обозначения:
НН —минеральные без присадок; HL — минеральные с присад-
ками, придающими им противоокислительные и противоизнос-
ные свойства; НМ — то же, что и масла HL, но с особыми про-
тивоизносными свойствами; HV — масла НМ с дополнительно
введенными присадками, улучшающими вязкостно-температур-
ные свойства.
Каждая категория по вязкости, мм2/с, при 40°С подразделяет-
ся на восемь сортов: 10, 15, 22, 32, 46, 68, 100 и 150.
377
Глава 11
СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ И СЖАТОГО ВОЗДУХА
11.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ
Назначение системы охлаждения — поддержание необходимого
теплового режима путем отвода теплоты в главных и вспомогатель-
ных дизелях, турбокомпрессорах, подшипниках и дейдвудных уст-
ройствах валопроводов, в компрессорах и других элементах СЭУ.
В современных судовых установках в качестве охлаждающей
среды в основном используют пресную воду благодаря ее значи-
тельно меньшей коррозионной активности и накипеобразующей
способности. Кроме того, использование закрытого контура цир-
куляции воды в системе охлаждения дает возможность поддер-
живать качество воды на необходимом уровне путем ее химиче-
ской обработки. По этим причинам проточные системы охлаж-
дения, в которых используется забортная вода, применяют ис-
ключительно на судах с маломощными СЭУ либо в комплекте с
циркуляционной системой охлаждения пресной водой. В послед-
нем случае (а он является типичным для энергетических устано-
вок морских судов) забортную воду используют для охлаждения
масла и пресной воды, циркулирующих по замкнутым конту-
рам, и охлаждения второстепенных механизмов и систем.
Введение замкнутого контура пресной воды позволило ис-
ключить коррозию дизелей, повысить температурный режим в сис-
теме, не опасаясь интенсификации накипеобразования. Из контакта
с морской водой были выведены сами дизели, но осталась доволь-
но разветвленная сеть трубопроводов морской воды, холодильни-
ков масла, воздуха, которые подвергаются интенсивной коррозии,
и ни один ремонт судна не обходится без замены или восстановле-
ния тех или иных участков магистралей забортной воды.
Для исключения указанного недостатка, повышения надежности
оборудования на судах (в первую очередь — арктического плавания)
начали применять централизованные системы охлаждения (рис. 11.1).
Участок забортной воды ограничен донным и забортным кингсто-
нами с фильтрами, главными насосами и центральным холодильни-
ком 6, после которого забортная вода уходит за борт. Циркуляцион-
ная система пресной воды разбита на два контура:
378
низкотемпературный (35—45°С) с насосами 5, напорной цис-
терной, холодильниками 17 воды высокотемпературного конту-
ра, циркуляционной смазочной системы дизеля и его распреде-
лительного вала, наддувочного воздуха;
высокотемпературный (55—80QC), включающий полости охла-
ждения главного дизеля, насосы 15, расширительную цистерну,
цистерну деаэрации и опреснительную установку.
Заданные температурные режимы в низко- и высокотемпера-
турном контурах поддерживаются с помощью автоматических
терморегулирующих клапанов перепуска воды в холодильниках.
Для подогрева главного дизеля перед пуском (должна быть обес-
печена температура воды на выходе из двигателя 50°С) может
быть применена горячая вода, выходящая из дизель-генерато-
ров, либо для этой цели используют специальный подогреватель,
включенный в высокотемпературный контур. Мощность подог-
Забортная вода
Пресная вода высоко -
и низкотемпературного
контуров
Рис. 11.1. Централизованная система охлаждения дизеля:
1,3 — донный и забортный кингстоны; 2 — фильтры; 4, 5, 15 — насосы; 6 — центральный
холодильник; 7— терморегулирующий клапан; 8, 11 — напорная и расширительная цистер-
ны; 9, 10, 13 — охладители масла систем смазывания соответственно распределительного ва-
ла, дизеля, наддувочного воздуха; 12 — цистерна деаэрации; 14 — главный дизель; 16 — по-
догреватель; 17— холодильник пресной воды; 18— опреснительная установка
379
ревателя должна составлять ориентировочно 1,5 % номинальной
мощности дизеля.
Основные мероприятия по эксплуатации, системы охлаждения
сводятся к поддержанию необходимого качества охлаждающей
воды, введению в нее присадок, обеспечению необходимого
уровня в расширительной цистерне и контролю за параметрами,
характеризующими работу системы (давлением и температурой).
Особую осторожность нужно проявлять в ситуации, когда тем-
пература воды на выходе из дизеля или его отдельных цилиндров
по тем или иным причинам увеличивается до 90—100 °C. Прежде
всего открытием крана на сливной трубе необходимо проверить,
не выходит ли из него пар. Появление пара означает отсутствие
воды в верхней части цилиндра и вызванный этим его местный
перегрев. Дизель необходимо остановить и после закрытия запор-
ного клапана на сливном патрубке системы охлаждения цилиндра
обеспечить ему возможность медленно остыть. Любая интенсифи-
кация охлаждения может вызвать появление высоких температур-
ных напряжений в металле крышки, втулки и корпусе выпускно-
го клапана, что в свою очередь может явиться причиной появле-
ния в них трещин. Через 15—20 мин можно немного приоткрыть
клапан с тем, чтобы вода, поднимаясь, могла постепенно запол-
нить полость охлаждения — ту ее часть, где она была вытеснена
паром. Продвижение воды проверяют по вентиляционному крану.
Перед пуском дизель необходимо провернуть валоповоротным уст-
ройством и через продувочные или выпускные окна убедиться в от-
сутствии попадания воды в цилиндр и в подпоршневую полость (че-
рез нарушенные уплотнения втулки). В тронковом дизеле плотность
посадки втулки цилиндра проверяют ее осмотром через картер.
Форсунка мощного судового дизеля, имея довольно развитую
торцовую поверхность распылителя, находящуюся в контакте с
горячими газами, воспринимает значительное количество тепло-
ты, которая передается в корпус форсунки через открытые воз-
действию газов поверхности, нагревая ее элементы. Часть вос-
принятой теплоты уходит в крышку Скр и далее в охлаждающую
ее воду, основная часть теплоты отбирается прокачиваемой через
форсунку охлаждающей жидкостью (водой, топливом или мас-
лом) Сохл» а остальная часть идет на нагрев впрыскиваемого топ-
лива Снт и рассеивается в окружающую среду 0рас, т. е.
Qr ~ Скр Сохл + Снт Срас-
Задача принудительного охлаждения форсунок заключается в
поддержании температур тела иглы и ее направляющей, особен-
но распылителя в зоне сопловых отверстий, на уровне, не превы-
шающем 160— 180°С. В противном случае при работе на тяже-
лых топливах с высоким содержанием кокса и асфальтосмоли-
380
Ввод антикоррозионных
Рис. 11.2. Система охлаждения форсунок:
1 — расширительная цистерна; 2 — воронка; 3, 7 — терморегулирующие клапаны; 4 - паро-
вой подогреватель; 5 — насосы; 6 — холодильник
стых соединений возможны зависание иглы из-за лакообразова-
ния на ней и закоксовывание сопловых отверстий, рост нагара
(бороды в виде раструбов Вентури) на сопловых наконечниках.
В дизелях с цилиндрами диаметром не более 300 мм, имеющих
невысокий уровень форсировки рабочего процесса и работающих
на легких топливах, необходимость в принудительном охлажде-
нии форсунок отсутствовала и их выполняли неохлаждаемыми. В
представленном балансе теплоты для таких форсунок (?охл = 0.
Однако с переходом на тяжелые топлива и для этих дизелей воз-
никла необходимость в дополнительном охлаждении форсунок.
В соответствии с требованиями Регистра система охлаждения
форсунок должна быть выполнена отдельно от систем охлажде-
ния цилиндров и поршней.
Традиционный состав системы (рис. 11.2): расширительная
цистерна с встроенным в нее паровым подогревателем с термо-
регулирующим клапаном и воронкой для спуска отстоявшегося в
воде топлива; насосы, холодильник и терморегулирующий кла-
пан. Подогреватель устанавливают для того, чтобы при подготов-
ке к пуску в случае работы на пониженных нагрузках подогревом
381
охлаждающей воды поддерживать необходимую температуру рас-
пылителя форсунки в рекомендуемом диапазоне 120— 160°С.
Нижний предел (120°С) задается с целью избежать низкотемпе-
ратурной электрохимической коррозии распылителя. При экс-
плуатации неоднократно отмечались случаи обрыва сопловых на-
конечников, чему предшествовало "выедание" металла сопла с
образованием кольцевой канавки по наружной поверхности.
Причина — конденсация на соплах паров SO3 и воды вследст-
вие их низкой температуры.
В случае использования в качестве охлаждающей жидкости то-
плива (в дизелях Бурмейстер и Вайн) систему охлаждения форсу-
нок подключают либо к расходной цистерне дизельного топлива,
либо предусматривают отдельную цистерну дизельного топлива.
В некоторых дизелях выпуска 80-х годов благодаря уменьше-
нию количества воспринимаемой форсункой теплоты вследствие
уменьшения диаметра ее распылителя и интенсификации охлаж-
дения стакана крышки цилиндра, в котором находится форсунка,
удалось отказаться от принудительного охлаждения, что сущест-
венно упростило конструкцию форсунки и системы охлаждения.
11.2. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ В СИСТЕМЕ ОХЛАЖДЕНИЯ
От температурного режима зависят уровень температуры сте-
нок камеры сгорания, условия работы масла в цилиндре, износ
цилиндра, потери теплоты через стенки, а следовательно, и эко-
номичность работы дизеля.
Для того чтобы лучше понять влияние температуры охлаж-
дающей воды на тепловое состояние стенки, воспользуемся уп-
рощенным анализом теплообмена — методом эквивалентных
стенок. На рис. 11.3 представлена стенка с эквивалентными тол-
щинами Х/аг.ср> 8 и ^/аохл- Сохраняя неизменными результи-
рующие температуру газа tr и коэффициенты теплоотдачи от газа
к стенке осг и от стенки к воде аохл, зададимся двумя значениями
температуры охлаждающей воды: /В| — 55°С и /В2 — 80°С. По-
лученные на графике точки соединим прямыми 7 и 2, их пере-
сечение со стенкой (толщина 8) показывает ориентировочные
значения температур на ее поверхностях со стороны газов /ст г и
воды /ст в. Большему значению /в соответствуют и более высокие
значения температур стенки со стороны как воды, так и газов.
Если этот вывод распространить на стенки, замыкающие камеру
сгорания и цилиндр дизеля, то можно отметить следующее важ-
ное обстоятельство: увеличение температур охлаждающей воды
должно сопровождаться ростом температур деталей цпг. Рост
382
Рис. 11.3. Определение температурных
перепадов методом эквивалентной
стенки
температуры стенок камеры сгорания в свою очередь способству-
ет уменьшению доли воспринимаемой ими от газов теплоты —
составляющая теплового баланса дизеля уменьшается, и это по-
ложительно отражается на полезной составляющей qe — эффек-
тивном КПД дизеля.
Увеличение температуры стенки втулки цилиндра обусловлива-
ет: снижение вязкости находящегося на ее поверхности масла, что
вызывает снижение износа и потерь на трение поршня, которые,
как известно, составляют около 60 % механических потерь дизе-
ля; сокращение механических потерь, что вызывает рост механиче-
ского КПД дизеля и, как следствие, снижение удельного расхода
топлива; уменьшение конденсации паров образующейся при сгорании
топлива серной кислоты, вызывающей электрохимическую корро-
зию и износ.
Нужно иметь в виду, что связь между ростом температур ра-
бочей поверхности цилиндров и их износом неоднозначна. При
снижении вязкости масла уменьшаются потери на трение, но ме-
нее вязкое масло хуже удерживается на поверхностях трения. Ус-
тановлено, что вязкость масла на поверхности зеркала цилиндра
должна быть не менее 4 мм2/с.
С повышением температуры масла усиливаются термоокисли-
тельные процессы, масло быстрее теряет свои смазывающие свой-
ства, образуются и откладываются на рабочих поверхностях лаки,
смолы и прочие продукты окислительной полимеризации. Поршневые
кольца теряют подвижность, растет изнашивание деталей ЦПГ.
Практикой установлено, что для обеспечения надежной работы
этого узла температура зеркала цилиндровой втулки и температу-
ра поршня в зоне канавок поршневых колец при существующих
минеральных маслах не должна превышать 160—180°С. Положи-
383
тельный эффект от повышения температур воды в дизеле может
быть получен лишь при соблюдении отмеченного условия.
Для выяснения влияния температуры охлаждающей воды на
температурные напряжения в теплопередающих плоских стенках
воспользуемся упрощенным выражением
Ц ZCT.r-ZCT.B
= ---2---’ О11)
где ah ц — коэффициенты линейного расширения и Пуассона; Е — мо-
дуль упругости металла, Па.
Из формулы (11.1) следует, что при неизменности тепломеха-
нических характеристик металла стенки возникающие в ней тем-
пературные напряжения пропорциональны разности температур:
Д/ст = /ст г — /ст в. Последняя, как это видно из построения на
рис. 11.3, при изменении /в с 55 до 80°С практически не меняет-
ся, хотя сама температура и растет. Этим подтверждается малая
зависимость температурных напряжений в деталях ЦПГ от тем-
пературы охлаждающей воды. Однако это не исключает возмож-
ности появления опасных для прочности напряжений при пере-
гревах дизеля в переходные периоды его прогревания и оста-
новки.
Важно также сохранение небольшого градиента температур в
осевом направлении (по высоте цилиндра). Именно этим объясня-
ется требование дизелестроителей разность температур на входе в
дизель и выходе из него поддерживать на уровне не более 10— 12°С.
Если в 60-е годы температура воды на выходе из дизеля ре-
комендовалась 50—55°С, то позднее этот уровень поднялся до
60—65°С, а когда стали применять тяжелые сернистые топлива,
появились рекомендации повысить температуру воды до 70—75°С.
В современных дизелях с высоким наддувом рекомендуются еще
более высокие температуры (95—98°С). Подобная тенденция
объясняется стремлением сократить потери теплоты с охлаж-
дающей водой.
Поддержание столь высоких температур стало возможным
благодаря эффективным мерам по интенсификации охлаждения
деталей ЦПГ, приближению воды к тепловоспринимающим по-
верхностям и пр. Поэтому простой перенос рекомендаций по
выбору температуры воды на двигатели старых моделей невозмо-
жен. Повышение температуры в системе охлаждения может при-
вести к недопустимо высоким температурам поршня в зоне рас-
положения колец, втулки цилиндра, что в свою очередь приведет
к интенсивному окислению масла, заклиниванию колец в кепах,
ухудшению условий удержания масла на поверхностях трения и
интенсивному изнашиванию.
384
Особое внимание нужно уделять температурному режиму воз-
духоохладителей дизелей на судах арктического плавания.. Отри-
цательные температуры наружного воздуха обусловливают сни-
жение температуры воздуха в ресивере, а это в свою очередь
влечет за собой в связи с увеличением плотности воздуха рост
подачи турбокомпрессоров GK и давления наддува рк (рис. 11.4).
С одной стороны, это благоприятно сказывается на массе свеже-
го заряда воздуха в цилиндрах и соответствующем увеличении
индикаторного КПД рабочего цикла. В итоге увеличивается
среднее эффективное давление ре и уменьшается удельный рас-
ход топлива ge. С другой стороны, низкие температуры воздуха в
цилиндре в начале и конце сжатия обусловливают увеличение
периода задержки воспламенения топлива и, как следствие, су-
щественный рост максимального давления цикла pv а это при
том, что в современных двигателях pz = 15 18 МПа, может
оказаться весьма опасным для прочности дизеля и работоспособ-
ности его подшипников. Поэтому при наружном заборе воздуха
Рис. 11.4. Зависимость параметров
дизеля от температуры наружного
воздуха при его заборе на ГТК с па- 60
лубы
Рис. 11.5. Ступенчатое регулирование
температур в системе охлаждения ди- 4#
зеля:
fB, — температуры соответственно воды
и масла; индексы "вт" и "нт” означают 30
верхнюю и нижнюю точки; /н — темпера-
тура за компрессором
О 20 I/O 60 80 100
Нагрузка,°/о
13 Зак. 1596
385
на турбокомпрессоры в Арктике его необходимо предварительно
подогревать, но это влечет за собой большие потери энергии.
Фирма "Вяртсиля" прибегает к более экономичному решению —
при чрезмерном повышении давления стравливанию части воз-
духа из ресивера.
Влияние низких температур воздуха на всасывании особенно
сказывается на работе дизеля на малых нагрузках при использо-
вании остаточных топлив с высоким содержанием тяжелых угле-
водородов, воспламенение которых во многом зависит от темпе-
ратурных условий в цилиндре. Поэтому, чтобы поднять темпера-
туру воздуха в цилиндре, прибегают к использованию двухкон-
турных воздухоохладителей. Один контур (охлаждающий) ис-
пользуют при работе дизеля на полной нагрузке, а при переходе
на нагрузку 25 % и ниже включают другой контур — подогрева
наддувочного воздуха (охлаждающий контур отключают). При
такой работе если при 100%-ной нагрузке ts = 47 -г 55°С, то при
25%-ной нагрузке ts = 75°С. Одновременно во избежание низко-
температурной коррозии в цилиндрах и в целях снижения темпе-
ратурных напряжений в деталях ЦПГ увеличивают температуру
охлаждающей воды с 75—78 до 105—108°С (рис. 11.5).
11.3. КОРРОЗИЯ, КАВИТАЦИОННАЯ ЭРОЗИЯ,
НАКИПЕ- И ШЛАМООБРАЗОВАНИЕ В СИСТЕМЕ ОХЛАЖДЕНИЯ
Коррозия. Элементы конструкции дизеля, теплообменные аппа-
раты, трубопроводы выполнены из чугуна, стали или сплавов меди
(латуни, медно-никелевых сплавов, бронзы и др.). Эти материа-
лы, находясь в контакте с водой, не прошедшей должной обработ-
ки, постепенно разрушаются, подвергаясь действию коррозии.
По месту расположения коррозию классифицируют сле-
дующим образом:
общая — металл разрушается в глубину более или менее рав-
номерно, продукты коррозии загрязняют охлаждающую воду,
выпадают в шлам и. откладываются в застойных полостях охлаж-
даемых элементов;
местная — коррозионные разрушения поверхностей на не-
больших площадях, появление язвин, свищей; процесс, как пра-
вило, протекает с большей скоростью, поэтому представляет
большую опасность для механической прочности и плотности
конструкций;
межкристаллитная — носит избирательный характер; особен-
но чувствительны к ней сплавы металлов; начинается на грани-
цах, разделяющих отдельные кристаллы сплава; образующиеся
продукты коррозии оказывают расклинивающее действие на
386
кристаллы, возникающие микроскопические трещины постепен-
но переходят в более крупные, иногда сквозные.
По характеру взаимодействия металла со средой коррозия де-
лится на химическую и электрохимическую.
Наиболее распространена электрохимическая коррозия в систе-
мах охлаждения, где функции электролита выполняет вода, со-
держащая водородные и гидроксильные ионы. В химически чис-
той дистиллированной воде ионы Н+ и ОН” находятся в равно-
весии, электрическая проводимость воды близка к нулю и элек-
трохимические процессы коррозии в ней практически не проис-
ходят, в противоположность пресной воде морская вода благода-
ря наличию в ней растворенных солей обладает хорошей прово-
димостью, поэтому коррозия протекает с большой скоростью.
Наибольшие разрушения отмечаются на тех участках системы
охлаждения, где циркулирует забортная вода. В замкнутом кон-
туре охлаждения электрохимическая коррозия носит ограничен-
ный характер, но усиливается, если происходит подсаливание
пресной воды через протечки в водо-водяных охладителях.
Скорость коррозии увеличивается при росте концентрации ионов
водорода в воде. И, наоборот, если придать воде щелочную реакцию,
то скорость коррозии можно уменьшить — на этом основан один из
методов обработки охлаждающей воды. Если в воде присутствует ки-
слород, он, взаимодействуя со скапливающимся на катодной поверх-
ности водородом, образует воду, и в этом случае образованная на ка-
тоде защитная микропленка из водорода разрушается. Находящиеся в
воде ионы водорода получают возможность свободно соединяться с
электронами катода, и в итоге коррозия прогрессирует.
Образование на поверхности анода слоя, состоящего из про-
дуктов коррозии, — одна из форм анодной поляризации. Про-
дукт коррозии действует как изолятор, предотвращая дальней-
шие реакции и таким образом тормозя коррозию. Ионы двухва-
лентного железа, выделяющиеся на анодных участках стальных
поверхностей, в отсутствие кислорода взаимодействуют с находя-
щимися в воде гидроксильными ионами, образуя гидроокись же-
леза. Последняя в результате ряда сложных реакций переходит в
магнетит, откладывающийся на аноде в виде плотного слоя, хо-
рошо защищая его от дальнейшего разрушения.
В создании подобных защитных пленок на поверхностях ме-
талла заключается пассивация металла, положенная в основу
действия современных присадок к охлаждающей воде. Нужно
иметь в виду, что не все продукты коррозии железа оказывают
пассивирующее действие. Так, если в воде содержится значи-
тельное количество кислорода, гидроокись двухвалентного желе-
за может и не превратиться в магнетит, а вместо него образуется
гидроокись, содержащая трехвалентное железо, — одна из ти-
387
13*
пичных форм ржавчины. Ее защитные свойства незначительны.
Так же плохо защищает металл вследствие рыхлой структуры об-
разующаяся в присутствии кислорода окись железа.
Вид образовавшихся продуктов коррозии железа можно опре-
делить по цвету. Гидроокись железа Fe(OH)2 имее,т белый цвет,
гидроокись трехвалентного железа FeOOH — желтый или оран-
жевый, окись железа Fe2O3 — красный или коричневый, а маг-
нетит Fe2O4 — черный.
Кислотная коррозия возникает, если в систему охлаждения
попала забортная вода, обычно содержащая в значительных ко-
личествах хлорид магния, активно понижающий водородный
показатель воды. В результате образующаяся соляная кислота
начинает разъедать металлические поверхности по реакции
Fe + 2НС1 FeCl2 + Н2. При этом коррозия развивается на-
столько активно, что даже присутствие в воде ингибитора кор-
розии не в состоянии ее замедлить.
Из приведенного анализа следует, что противокоррозионная за-
щита должна быть основана на предотвращении высоких кон-
центраций ионов водорода в охлаждающей воде, г. е. поддержа-
нии высоких значений pH (желательно pH = 84- 9), пассивации
металлических поверхностей путем создания на них прочных за-
щитных пленок, удалении из воды растворенного кислорода (пу-
тем исключения перемешивания воды с воздухом и включения в
систему охлаждения деаэраторов), сокращении содержания хло-
ридов в воде до минимума (предельная норма 200 мг/л).
Кавитационная эрозия. Механизм кавитационного разрушения
заключается в следующем. Поршень во время перекладки под дей-
ствием нормальной силы, которая вблизи ВМТ имеет наибольшее
значение, приобретает некоторую скорость в поперечном движении
и ударяет о стенку втулки в момент контакта. Ударный импульс вы-
зывает местные упругие деформации в виде радиальных и продоль-
ных колебаний изгиба. Колебания втулки вызывают звуковые и
ультразвуковые колебания в прилегающем к ней кольцевом слое во-
ды, попеременное ее растяжение и сжатие, в результате чего в полу-
период растяжения образуются кавитационные пузыри (каверны),
которые захлопываются в полупериод сжатия. При захлопывании и
слиянии пузырьков в пустоты, образующиеся на поверхности втул-
ки, с большой скоростью устремляется вода, которая, подобно уко-
лам алмазной иглы, повреждает поверхность (давление воды в этот
момент составляет 1000—1500 МПа, прочность чугуна рассчитана
на 200—400 МПа). Поскольку наибольшие напряжения на микро-
поверхностях, на которые действует давление, превышают предел
текучести металла, в поверхностных слоях возникает явление накле-
па, приводящее к образованию и развитию микротрещин. Под дей-
388
ствием повторяющихся гидравлических ударов частицы металла, ог-
раниченные сеткой микроскопических трещин, выламываются и
выкрашиваются. В этих местах возникают глубокие раковины. Чу-
гун, например, в первую очередь освобождается от графитовых
включений, имеющих ничтожно малую прочность по сравнению с
металлом. У прочных, твердых конструкционных материалов про-
цесс разрушения протекает сравнительно медленнее.
Кавитация разрушает пассивирующие пленки на металле и
вызывает в нем местные напряжения, а это способствует разви-
тию на поражаемых участках электрохимической коррозии. Наи-
более подвержены кавитации втулки цилиндров и блоки. Разру-
шения, как правило, носят местный характер и выражаются по-
явлением на поверхностях сыпи в виде мелких и глубоких рако-
вин в результате совместного влияния кавитационной эрозии и
электрохимической коррозии. Последний процесс всегда сопут-
ствует кавитации и в определенной мере ею порождается; под
действием возникающего при ударах напряженного состояния
материала и вследствие эрозионного разрушения пассивирующих
пленок кавитирующие участки приобретают свойства анодной
поверхности. В общем случае степень кавитационных разруше-
ний в дизеле зависит от интенсивности колебаний ^амплитуды и
частоты) вибрирующих поверхностей, конструкции полостей и
систем охлаждения, свойств охлаждающей среды и механических
свойств материала подверженных кавитации поверхностей.
Кавитационные разрушения втулок цилиндров невелики, если
ускорение при их колебании не превышает (18 4- 20)g, поэтому
наиболее подвержены кавитации элементы конструкции высоко-
и среднеоборотных дизелей. Ускорение колебательного движения,
вызванного перекладкой поршня (крейцкопфа), в малооборотных
дизелях не превышает 2g. Более того, вследствие наличия у мало-
оборотного дизеля крейцкопфа должны были бы устраниться уда-
ры поршня о втулку и ее последующая вибрация. Однако, как по-
казали исследования А. П. Пимошенко, удары поршня все-таки су-
ществуют, и они тем сильнее, чем больше зазор в крейцкопфном уз-
ле. Под действием этих ударов втулка цилиндра испытывает колеба-
ния с частотой, пропорциональной частоте вращения вала дизеля.
Эти колебания передаются охлаждающей воде, но частота их недоста-
точна, чтобы вызвать кавитацию. Можно предположить, что в отдель-
ных узких сечениях полости охлаждения происходит интерференция
прямых и отраженных волн, в результате которой и создаются усло-
вия для образования и последующего захлопывания кавитационных
пузырей, так как именно в этих местах (в зонах контакта поверхно-
стей втулок и блока цилиндров МОД) отмечаются кавитационные по-
вреждения.
389
Наиболее подвержены такому виду повреждений дизели Бурмей-
стер и Вайн 55OVTBF11O и 874VT2BF160. Признаки кавитации воз-
никали через 5—6 тыс. ч на верхних центрирующих поясах втулок
цилиндров в виде отдельных раковин или их скоплений по правому
и левому бортам на участках дуг длиной до 180 мм. На большинстве
втулок разрушения выходили на гантели под посадочными бурта-
ми. Позднее в районах разрушений в гантелях появлялись трещины.
Интенсивные разрушения отмечались на тех цилиндрах, где был
наибольший зазор между поршнем и цилиндром.
Снижению кавитации способствуют повышение гидроста-
тического давления и температуры в системе охлаждения, ис-
пользование дистиллированной воды с присадкой эмульсионно-
го масла, которое, откладываясь на охлаждаемых поверхностях,
демпфирует колебания, передаваемые жидкости.
Для снижения кавитационных разрушений в полостях охлажде-
ния дизелей, помимо мероприятий, относящихся к конструкции са-
мого дизеля, необходимо: применять для охлаждения очищенную от
примесей или (что лучше) дистиллированную воду, а в качестве
присадки к охлаждающей воде — эмульсионные масла или много-
компонентные присадки, представляющие собой водорастворимые
ингибирующие композиции на основе органических поверхностно-
активных веществ (присадки типа Амероид DEWT-NC, Формет-326
и отечественные Кавикор 24М-1), образующие на поверхностях за-
щитный демпфирующий слой; поддерживать в системе охлаждения
по возможности более высокие давление и температуру.
Накипе- и шламообразование. При эксплуатации системы ох-
лаждения в полостях, где скорость воды невелика и могут обра-
зоваться застойные зоны, скапливается шлам, состоящий из
твердых взвешенных веществ (продуктов коррозии, накипи —
солей кальция и магния, содержащихся в значительных количе-
ствах в морской воде и попадающих с ней в систему охлажде-
ния). Особенность соединений кальция и магния заключается в
том, что в холодной воде они находятся в растворенном состоя-
нии, но уже при 50—55 °C из раствора начинают выделяться и
выпадать в осадок либо откладываться в виде слоя накипи на го-
рячих поверхностях. Содержание этих солей обусловливается же-
сткостью воды. В шламе могут также скапливаться ил и примеси,
занесенные в систему с водой, не прошедшей достаточную очи-
стку, масло, проникающее в воду через сальники телескопов ох-
лаждения поршней. Отложения шлама в охлаждаемых полостях
отрицательно отражаются на теплообмене, происходит локальное
повышение температуры стенок, а это вызывает рост темпера-
турных напряжений в них и в отдельных случаях приводит к по-
явлению трещин. Особенно подвержены отложениям шлама и
местным перегревам крышки цилиндров, так как именно в них
390
благодаря сложности конструкции внутренних охлаждаемых по-
лостей имеются участки, благоприятные для скапливания шлама.
Для исключения отложений шлама и накипи в полостях охла-
ждения необходимо: на участках охлаждения забортной водой
следить за очисткой воды в кингстонных фильтрах, поддержи-
вать температуру забортной воды не более 50°С, для замкнутых
контуров охлаждения применять хорошо очищенную, по воз-
можности дистиллированную воду, не допускать скопления в во-
де масла, использовать Отстойники и каскадные фильтры.
11.4. ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ВОДЫ
В СИСТЕМЕ ОХЛАЖДЕНИЯ
Общие сведения. В целях защиты поверхностей охлаждения от
коррозионных разрушений-, накипе- и шламообразования, суще-
ственно затрудняющих теплопередачу, а также для защиты от ка-
витационной эрозии охлаждающую воду подвергают соответст-
вующей обработке и контролю в процессе эксплуатации. В ком-
плекс операций по обработке и контролю входят следующие
процедуры: очистка системы охлаждения, заполнение системы
дистиллированной водой (желательно из водоопреснителя) с до-
бавленными присадками, регулярный контроль за состоянием
системы охлаждения и находящейся в ней воды.
Очистка системы охлаждения. Для очистки от скопившихся в
системе масла, накипи и прочих шламообразующих веществ реко-
мендуются специальные очищающие жидкости, предлагаемые спе-
циализированными фирмами ("Веком", "Амероид" и др.). Фирмы
не только поставляют необходимые реагенты, но, имея своих пред-
ставителей в основных портах, предоставляют помощь по контролю
за ходом очистки. Крайне важно после обработки системы реаген-
тами тщательно ее промыть. Для очистки от масел применяют реа-
генты, создающие эмульсию с водой или слабощелочные очистите-
ли. Не разрешается применение растворителей, работа с которыми
не исключает риска их воспламенения. Для удаления накипи реко-
мендуются реагенты, приготовленные на базе аминосульфокисло-
ты, лимонной или винной кислоты, поставляемые в твердом со-
стоянии, но в то же время легко растворимые в воде и не выде-
ляющие при использовании ядовитых паров. В процессе очистки
должна быть обеспечена хорошая циркуляция воды. Учитывая воз-
можность утечек воды с находящимся в ней реагентом через ослаб-
ленные соединения или дефектные прокладки, нужно в течение
очистки контролировать все возможные места протечек. Сразу по-
сле очистки и затем еще раз через 24 ч следует проверить на кислот-
ность находящееся в циркуляционной системе масло.
391
Охлаждающая вода, присадки. Заполнение водой системы и
введение в нее антикоррозионных присадок во избежание корро-
зии очищенных поверхностей должны осуществляться сразу же
по прекращении очистки. Для заполнения системы должна при-
меняться деминерализованная или дистиллированная вода. Од-
нако из-за недостаточной жесткрсти эта вода является относи-
тельно коррозионно-активной, поэтому в нее должны быть до-
бавлены ингибиторы коррозии. Если обессоленная или дистил-
лированная вода отсутствует, то в крайнем случае возможно при-
менение обычной питьевой воды, но ее водородный показатель
должен лежать в пределах pH = 5^7 при 20°С.
Должна быть также осуществлена проверка на содержание:
хлоридов (не более 50%о), хлоринов (10%о), сульфатов (100%о), си-
ликатов (150%о). Также вода не должна содержать, сульфидов и
аммиака. Следует иметь в виду, что смягчение воды не снижает
содержания в ней сульфатов и хлоридов.
В целях защиты поверхностей охлаждения от коррозионных разру-
шений, накипеобразован ия и кавитационной эрозии в охлаждающую
воду обязательно вводят присадки — ингибитрры. По составу и харак-
теру действия присадки делят на химические и водоэмульсионные.
Химические присадки, будучи растворенными в охлаждающей
воде, пассивируют металлы, создавая на них защитные окисные
пленки, способствуют переводу в шлам накипеобразователей и
нейтрализации кислотности воды — повышению показателя pH.
При использовании химических препаратов предъявляют-повы-
шенные требования к жесткости воды (не выше 1,5 мг-экв/л), так
как высокая жесткость влечет за собой реакцию солей жесткости с
вводимыми щелочами и, как следствие, обильное выпадание шла-
ма; Наилучшими ингибирующими свойствами обладают присадки
на основе хроматов (бихромат натрия или калия + едкий натр или
кальцинированная сода), однако они токсичны, поэтому их приме-
нение требует особой осторожности (в системах, где вода не ис-
пользуется в качестве теплоносителя в опреснительных установ-
ках). Существенным недостатком этих присадок является также
чувствительность к концентрации в охлаждающей воде.
Рекомендуемая дозировка бихромата и едкого натра — по 0,1%.
Снижение их концентрации приводит к оголению отдельных
анодных участков поверхности металла и интенсивному разру-
шению в форме точечной (питтинговой) коррозии. При этом
скорость процесса разрушения может в несколько раз превысить
скорость коррозии в воде, вообще не содержащей ингибитора,
так как увеличивается соотношение между катодной поверхно-
стью и оголенным участком анодной поверхности.
Ббльшую часть химических присадок к охлаждающей воде го-
товят на нитритно-боратной основе; в отличие от хроматных
392
присадок они не токсичны, поэтому могут быть рекомендованы
для систем охлаждения всех типов. Нитрит хорошо известен как
пассиватор стали и сплавов олова. Эффект защиты от коррозии
достигается окислением корродирующих продуктов до высших
солей, образующих плотную и прочную изолирующую пленку
на поверхности металла. Присутствие в присадке бора необходи-
мо для стабилизации показателя pH раствора. В рецептуру при-
садок часто вводят также специальные органические ингибиторы
и диспергаторы. Присадка обладает высокой эффективностью,
дешева. Оптимальная концентрация в зависимости от состава
присаДки составляет 0,25—0,5 %, поэтому ее требуется в неболь-
ших количествах. Снижение или превышение концентрации не
сказывается на коррозии.
Некоторые присадки, в частности фирмы "Перолин", обла-
дают способностью очищать поверхности охлаждения от ранее
образовавшихся ржавчины, накипи и шлама. Для этого рекомен-
дуется удвоить вводимую в воду дозу присадки и периодически
спускать часть воды из системы.
Недостатки нитритно-боратных присадок: не могут быть ис-
пользованы в системах с элементами, изготовленными из
алюминия, с оцинкованными трубами или трубами с иными ви-
дами гальванических покрытий; нитрит ядовит, смертельная доза
составляет 3—4 г твердого нитрита; определение концентрации
присадки в воде требует наличия специальных приборов.
Неорганические пассиваторы (нитраты, хроматы и др.) эф-
фективны только при защите металла от коррозии, скорость ко-
торой определяется скоростью массопереноса окислителя (ки-
слорода) к корродирующей поверхности. При локальных корро-
зионных процессах (кавитационная коррозия, коррозионная ус-
талость и др.) эти ингибиторы неэффективны.
Третье поколение ингибиторов представляет собой водораствори-
мые ингибирующие композиции на основе органических поверхно-
стно-активных веществ. Барьерные свойства композиций
улучшаются введением в их состав неорганических пассиваторов. К
числу присадок третьего поколения относятся Амероид DEWT-NC,
Формет-326, Веком D-99, отечественная присадка Кавикор-24М.
Принципиальное отличие^ присадок третьего поколения от
эмульсионных масел состоит в том, что барьерные свойства в
эмульсионных ингибиторах выполняют слои масла, способные
ухудшать теплопередачу и закоксовываться, а в водораствори-
мых композициях — неорганические пассиваторы, образующие
защитные оксидные пленки с высокой теплопроводностью. При-
садки защищают системы охлаждения не только от коррозионно-
кавитационных разрушений, но и от осаждения накипи и железо-
окисных соединений. В результате взаимодействия элементов при-
393
садки с соединениями железа, кальция и магния в охлаждающей
воде образуется легкоподвижная, не осаждающаяся на охлаждае-
мых поверхностях взвесь.
Водоэмульсионные присадки — это антикоррозионные масла, ко-
торые, будучи введенными в охлаждающую воду, образуют с ней
устойчивую эмульсию молочного цвета. При омывании эмульси-
ей на охлаждаемых поверхностях образуется пленка масла, предот-
вращающая коррозию и отложения накипи. Кроме того, благодаря
демпфирующему эффекту масляная пленка существенно снижает,
а иногда й устраняет кавитационные разрушения поверхностей. В
этом состоит существенное преимущество водоэмульсионных при-
садок. Недостатком является опасность местных перегревов из-за
ухудшения теплообмена при увеличении толщины масляной плен-
ки, что возможно при увеличении концентрации эмульсии в воде.
Обычно это происходит, когда периодически добавляют эмуль-
сию в воду без должного контроля за ее содержанием в системе
охлаждения. По этой же причине водоэмульсионная присадка не
рекомендуется для системы с опреснительными установками.
Во избежание перегревов особенно жесткие требования предъяв-
ляют к чистоте систем охлаждения. Наличие в системе твердых
включений в виде шлама, склеиваемых маслом присадки, способст-
вует образованию на поверхностях изолирующих покрытий, препят-
ствующих. теплоотдаче. Этим в основном определяется отказ дизеле-
строительных фирм от применения водоэмульсионных масел в современ-
ных форсированных дизелях, для которых характерен высокий уровень
тепловых нагрузок, и поэтому опасность перегрева особенно велика.
В дизелях с относительно невысоким уровнем форсировки во-
доэмульсионные присадки продолжают применять, но тут важно,
чтобы содержание в воде хлоридов не превышало 100 мг/л. Об-
щая жесткость воды должна быть 1,5—3 мг-экв/л. Более мягкая
вода способствует образованию пены, более жесткая — разруше-
нию масляной эмульсии с выделением слизистых известковых
мыл, загрязняющих полости охлаждения. При нормальной экс-
плуатации рабочая, концентрация антикоррозионного масла
должна составлять 0,5 %, допустимое снижение — до 0,3 %.
Рекомендуемые антикоррозионные масла: Экстрол (разработ-
ка ВНИИНП) взамен малоэффективной присадки ВНИИНП-
117, Дромус Оил-В и Донакс-С фирмы "Шелл", Сольвак-1535
фирмы "Мобил Ойл", Дйкул-1 фирмы "Кастрол" и др.
Контроль за состоянием системы охлаждения. Необходим ре-
гулярный контроль, особенно в случае пополнения системы ох-
лаждения недистиллированной водой. Если в охлаждаемых про-
странствах обнаруживаются отложения, то эти пространства или
(если необходимо) вся система должны быть очищены. Опыт по-
казывает, что цинковое гальваническое покрытие труб системы
394
охлаждения пресной воды часто оказывается чувствительным к
коррозии, даже если охлаждающая вода должным образом обра-
ботана с использованием присадок. Особая чувствительность
проявляется при использовании присадок на нитритно-борат-
ной основе. В результате происходит интенсивное образование в
системе отложений продуктов коррозии. К разрушению цинко-
вого покрытия приводит также обработка системы кислотами,
применяемая для очистки от накипи.
Качество охлаждающей воды следует регулярно проверять
(по возможности один раз в неделю): концентрацию ингибитора,
значение водородного показателя (должно быть pH = 7 -г- 10 при
20°С), концентрацию хлоридов (не выше 50 мг/л).
Обычно поставщики присадок поставляют и необходимые для
контроля приборы. Пробы воды нужно брать из системы, но не
из расширительной цистерны или подводящей к ней воду тру-
бы. Результаты проверок нужно записывать и на базе этих запи-
сей строить кривые тренда, которые покажут закон изменения
качества воды и предполагаемые сроки ее последующей обра-
ботки.
Внезапное резкое увеличение содержания хлоридов свиде-
тельствует о появлении протечек в системе забортной воды, ко-
торые, конечно, при первой же возможности должны быть уст-
ранены.
Внезапное резкое уменьшение водородного показателя или уве-
личение содержания сульфатов могут указывать на возможный
прорыв в систему выпускных газов. Водородный показатель может
быть увеличен добавкой ингибитора, однако если потребуется
слишком большое количество ингибитора, лучше воду заменить.
Рекомендуется один раз в 3 мес направлять пробы воды в бе-
реговую лабораторию для контроля ее качества, в частности, на
содержание ингибитора, сульфатов, железа и общей солености.
11.5. СИСТЕМА СЖАТОГО ВОЗДУХА
Система обеспечивает сжатым воздухом главные и вспомога-
тельные дизели, системы автоматического управления ими, а
также вспомогательные устройства.
В системе сжатого воздуха дизеля МАН — Бурмейстер и
Вайн (рис. 11.6, а) воздух сжимается двумя двухступенчатыми
поршневыми компрессорами до давления 3 МПа. Каждая сту-
пень компрессора снабжена предохранительными клапанами, а
на выходе из них установлены сепараторы воды и масла. Сум-
марная подача компрессоров должна обеспечивать наполнение
баллонов сжатого воздуха от 0,1 МПа до рабочего давления
3 МПа не более чем за 1 ч. Компрессоры оборудованы системой
395
К вспомогательным
396
Рис. 11.6. Системы сжатого воздуха:
1 — воздушные компрессоры; 2 — редукционный клапан; 3 — валоповоротный механизм;
4 — главный стопорный клапан; 5— баллоны пускового воздуха; 6— клапаны автоматиче-
ского спуска конденсата; 7 — сепараторы воды и масла; 8 — автоматический главный пуско-
вой клапан; 9 — редуктор давления воздуха; 10 — главный дизель
автоматического пуска и остановки. Воздух нагнетается в глав-
ные баллоны пускового воздуха, из которых подается к главно-
му дизелю, минуя главный стопорный клапан. Вместимость
главных баллонов в соответствии с требованиями классификаци-
онных обществ должна быть достаточной для того, чтобы можно
было осуществить 12 последовательных пусков дизеля из холод-
ного состояния. Баллоны снабжены клапанами автоматического
спуска конденсата. По отдельным трубопроводам сжатый воздух
подается на пуск вспомогательных дизелей (при их значительном
удалении устанавливаются самостоятельные баллоны) в систему
дистанционного управления главными двигателями и через ре-
дукционный клапан уже при давлении 0,8 МПа — к устройст-
вам автоматической очистки топливных и масляных фильтров.
Редуцированный воздух поступает также на тифон и хозяйствен-
ные нужды.
Работа системы сжатого воздуха дизеля Зульцер понятна из
рис. 11.6, б.
Эксплуатация системы сжатого воздуха сводится к контролю
и техническому обслуживанию компрессоров, трубопроводов,
баллонов и запорной арматуры. Особое внимание следует обра-
щать на эффективную работу сепараторов воды и масла, отсутст-
вие коррозии во всех элементах системы, плотность запорных
клапанов и пусковых клапанов дизеля. Потеря плотности и про-
рыв горячих газов из цилиндров в магистраль пускового воздуха
приводят к взрыву находящихся в сжатом воздухе паров масла,
разрывам магистрали и возможному пожару в машинном отделе-
нии. Баллоны сжатого воздуха необходимо периодически проду-
вать для удаления скопившейся в них воды, в установленные
сроки следует проводить их ревизию с последующим гидравличе-
ским испытанием.
Глава 12
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДОВЫХ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
12.1. ВИДЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ,
ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СЭУ
Эксплуатация судов неизбежно связана с возникновением и
решением экологических проблем. Как и все другие объекты
деятельности человека, морские и речные суда являются ис-
точником экологической опасности для окружающей среды и,
следовательно, еще на этапе их проектирования должны решать-
ся задачи предотвращения экологически опасной эксплуащции
судов —- недопущения или (по крайней мере) минимизации ко-
личеств вредных веществ, выбрасываемых в окружающую среду.
К наиболее опасным следует отнести вещества, которые обра-
зуются и выбрасываются в атмосферу в процессе преобразования
потенциальной энергии энергоносителя (топлива) в СЭУ (дизе-
лях, котлах, газотурбинных двигателях).
Использование на судах топлив и смазочных материалов преду-
сматривает: прием в танки запаса и судовые емкости ГСМ в ко-
личествах, необходимых для выполнения рейса; хранение ГСМ в
запасных танках и емкостях в течение времени, предусмотренного
для выполнения рейса; подготовку топлива перед подачей для пре-
образования его потенциальной энергии; очистку моторных масел
многоразового использования в дизеле; сбор и утилизацию отхо-
дов процесса подготовки топлив и очистку моторных масел много-
разового использования, а также отработавших цилиндровых ма-
сел; очистку танков запаса, емкостей и другого оборудования от
отложений топливного и масляного происхождения с применени-
ем промывочных жидкостей; сбор отходов мойки танков, емко-
стей и другого оборудования и сдача их на берег.
Прием ГСМ в судовые емкости обычно сопровождается испа-
рением легких компонентов в атмосферу. Значительна опас-
ность загрязнения водной среды ГСМ в виде их разливов. Одна-
ко это относится в большей степени к нарушению правил безо-
пасности. Что касается продуктов испарения ГСМ, то избежать
этого невозможно, поскольку судовые танки запаса и другие ем-
398
кости для ГСМ являются открытыми системами, находящимися
под атмосферным давлением.
Процессы длительного хранения ГСМ, подготовки топлив и
очистки масел многоразового использования сопровождаются
испарением в атмосферу их легких компонентов, количество вы-
броса которых увеличивается при их подогреве. Выброс в атмо-
сферу нефтяных испарений происходит в процессе очистки ем-
костей и оборудования от отложений.
Таким образом можно констатировать, что процесс эксплуа-
тации морских и речных судов обязательно сопровождается вы-
бросом в атмосферу топливных и масляных компонентов в виде
паров, которые являются одним из наиболее опасных загрязне-
ний окружающей среды.
Состав продуктов испарений зависит от компонентного соста-
ва топлива и смазочных материалов. В целом эта группа загрязни-
телей окружающей среды относится к жидкообразным, обра-
зующимся в результате испарения ГСМ при атмосферном давле-
нии. К категории наиболее опасных загрязнителей относятся так-
же газообразные вещества, образующиеся в процессе преобразова-
ния потенциальной энергии топлива в энергетической установке и
выбрасываемые с выпускными газами: окислы азота NOX, обра-
зующиеся в цилиндрах дизеля при температуре выше 1500’С, ко-
гда азот становится химически активным газом; окись СО и дву-
окись углерода СО2, образующиеся в результате сгорания топли-
ва; сернистый и серный ангидриды SO2 и SO3, образующиеся в
результате окисления присутствующей в топливе серы (элементар-
ной, меркаптановой и др.); продукты неполного сгорания топлива
СНХ, агломерация мелких частиц йе полностью сгоревшего топли-
ва, частицы не полностью сгоревшего масла, сажи и др.
Образование окислов азота NO* сопровождает рабочий про-
цесс любой энергетической установки, если температура этого
процесса выше 1500°С. При таких условиях атомы азота стано-
вятся химически активными в результате потери ими одного
или нескольких электронов. Процесс потери электронов при вы-
соких температурах рабочего цикла дизеля сопровождается обра-
зованием большого хаотичного потока свободных электронов,
ионизированных атомов азота, кислорода и топлива. Смесь топ-
лива и воздуха переходит как бы в полуплазменное состояние.
Одновременно с процессом образования ионизированных атомов
и молекул идет процесс рекомбинации, т. е. захвата свободных
электронов этими атомами и молекулами. Поток свободных
электронов к концу рабочего процесса становится менее интен-
сивным в результате их ухода ,через стенку камеры сгорания, не-
сущую положительный заряд. В этом случае создаются условия,
399
когда процесс рекомбинации замедляется и образование химиче-
ски активного азота к концу рабочего процесса возрастает. Одна-
ко это еще не значит, что начнется интенсивное образование
окислов азота. В случае интенсификации процесса окисления yi-
леводородов (сгорания топлива) и уменьшения содержания
смеси кислорода образование окислов азота замедляется.
Таким образом, для того чтобы уменьшить содержание в вы-
пускных газах окислов азота, необходимо: создание в камере сго-
рания условий, при которых не происходит интенсификация
процесса образования химически активного азота; обеспечение
максимально допустимой интенсификации процесса окисления
углеводородов (топлива) в камере сгорания.
Окись углеводородов СО образуется в результате неполного сго-
рания топлива, что указывает на недостаточно эффективное проте-
кание рабочего процесса в камере сгорания дизеля. К основным
причинам неполного сгорания топлива относятся: низкие эксплуа-
тационные свойства применяемого топлива; нарушения в регулиро-
вании подачи топлива в камеру сгорания дизеля; неудовлетвори-
тельное состояние топливоподающей системы и деталей ЦПГ (нага-
ры на распылителе форсунок, образование недопустимых отложе-
ний в газовыпускном тракте, потеря подвижности поршневых ко-
лец; изношенность деталей топливной аппаратуры и ЦПГ).
Образования окиси углерода и окислов азота связаны между
собой прямо пропорционально, т. е. чем больше содержание в
выпускных газах окиси углерода, тем больше содержание и оки-
слов азота. Образование окиси углерода как результат неполного
сгорания топлива указывает на неэффективное использование
последнего в процессе преобразования его потенциальной энер-
гии в дизеле. Окись углерода при нормально организованном ра-
бочем процессе, правильном выборе применяемого топлива и
требуемом техническом состоянии дизеля не образуется и в вы-
пускных газах не присутствует.
Сернистый и серный ангидриды SO2 и SO3 образуются в про-
цессе сгорания топлива, содержащего серу. Реакции окисления
серы в сернистый SO2 и серный SO3 ангидриды проходят с выде-
лением теплоты, поэтому они участвуют в выработке преобразо-
ванной в дизеле полезной энергии. Чем выше доля серного ан-
гидрида SO3, тем больше выделяется тепловой энергии. Однако
выбросы этих ангидридов с выпускными газами являются опас-
ными веществами для окружающей среды.
Среди указанных ангидридов наибольшую опасность представ-
ляет сернистый SO2, выбрасываемый в виде газа и в результате
дальнейшего окисления переходящий в серный ангидрид SO3.
При температуре ниже 110°С серный ангидрид, соединяясь с пара-
400
ми воды, образует наиболее химически активную серную кислоту
H2SO4. Серный ангидрид образуется в цилиндре Дизеля, а серная
кислота — еще в выпускном тракте, и возможна ее нейтрализация
очистительными устройствами. Поэтому в процессе сгорания топ-
лива необходимо обеспечить окисление серы в серный ангидрид.
Общее количество содержания сернистых веществ в выпускных
газах регламентируется содержанием в топливе серы, поэтому не-
обходимо ограничить наличие серы в применяемых топливах.
Твердые продукты сгорания топлива в дизеле образуются в
результате неполного окисления наиболее тяжелых его компо-
нентов, и в первую очередь присутствующих в нем структурных
(агрегативных) образований: смолистых, смолисто-асфальтено-
вых, смолисто-водяных, смолисто-твердых.
В основе процесса образования перечисленных структурных
систем лежат молекулярные и полярные взаимодействия. Поляр-
ные свойства компонентов топлива определяют их способность
образовывать на поверхностях адсорбированный слой. К компо-
нентам топлива, обладающим наиболее сильными поверхностно-
активными свойствами, относятся смолы, которые способны ад-
сорбироваться на поверхности асфальтенов, частиц и глобулах
воды. Асфальтены также являются активным элементом струк-
турных систем — полярным веществом, способным при отсутст-
вии стабилизирующих веществ в топливе (в частности, смол) ас-
социироваться в сложные постоянно увеличивающиеся образова-
ния. Процесс ассоциирования асфальтенов прекращается по ме-
ре образования вокруг сгруппировавшихся молекул адсорбиро-
ванного слоя смол.
Сила взаимодействия молекул с молекулами вещества твердой
фазы топлива зависит от потенциала поверхности твердых час-
тиц. Электрический потенциал может изменяться в широком
диапазоне в зависимости от условий, в которых находится топ-
ливная среда. Сила взаимодействия молекул смол е молекулами
поверхности твердой частицы является величиной переменной,
зависящей от электрического потенциала: Как и в случае взаи-
модействия молекул смол с молекулами твердых частиц, сила
взаимодействия молекулы смол с молекулой воды может изме-
няться в широком диапазоне, поскольку глобула воды может
быть электрически нейтральной или нести электрический потен-
циал. При этом сцепление адсорбированного слоя смолы с по-
верхностью глобулы воды менее прочно, чем в случае сцепления
такого слоя с твердой частицей, поскольку оно легко нарушается
в результате деформации самой глобулы.
Как указывалось, основой процессов формирования структур-
ных систем являются полярные свойства смолистых веществ,
возникновение в определенных условиях электрического потен-
401
циала на поверхностях частиц механических примесей й глобул
воды, а также асимметричное строение молекул смол (углеводо-
родная и полярные части молекул). Исходя t из этого каждая
структурная система характеризуется наличием центрального те-
ла (ядра) и адсорбированного на нем слоя поверхностно-актив-
ных веществ с асимметричным положением полярной части в
их молекулах.
По характеру взаимодействия смолистых веществ с ядром об-
разуются системы со связью адсорбированного слоя поверхност-
но-активных веществ с ядром:
неподвижной (прочной), характеризующейся наличием двойно-
го полярного взаимодействия между молекулами вещества адсор-
бированного слоя (смол) и молекулами ядра (рис. 12.1, а, б);
“о
Рис. 12.1. Схемы ориентации молекул поверхностно-активного вещества в системах:
а — смолисто-асфальтеновых; б — смолистых; в, д — с твердыми частицами; г, е — с глобула-
ми воды; 1 — молекулы вещества адсорбированного слоя; 2 — молекулы асфальтенов; 3 —
зоны разрежения; 4 — твердая частица (ядро); 5~ глобула воды (ядро)
ЕЗС9ЕЗ E3QSQ Q
snauass»
402
полуподвижной (инертной), характеризующейся наличием оди-
нарного полярного взаимодействия между молекулами вещества
адсорбированного слоя и молекулами ядра (рис. 12.1, в, г);
подвижной, характеризующейся отсутствием полярного взаи-
модействия между молекулами (рис. 12.1, д, е).
Присутствующие в топливе такие структурные системы обычно
не успевают полностью окислиться и превращаются в твердые агло-
мераты. Смолисто-твердые системы вообще не могут полностью
окислиться в связи с наличием в них твердого ядра. Все эти несго-
ревшие структурные системы и составляют основную массу твердых
загрязнений, выбрасываемых в виде сажи с выпускными газами.
Двуокись углерода СО2 является конечным газообразным веще-
ством процесса преобразования потенциальной энергии углеводо-
родных энергоносителей в энергетических установках, в частности
в дизелях. В отличие от перечисленных веществ, выбрасываемых в
составе выпускных газов, исключить содержание в них двуокиси уг-
лерода невозможно. Основное экологически опасное воздействие
двуокиси углерода состоит в разрушении озонового слоя и создание,
таким образом, "парникового эффекта" на нашей планете.
Анализ данных по содержанию экологически опасных ве-
ществ в выпускных газах на единицу вырабатываемой мощности
позволяет составить баланс количеств вводимых в установку и
выбрасываемых из нее различных химических веществ.
Типичный состав выпускных газов для четырехтактного СОД
при полной нагрузке следующий.
% (по объему) г/(кВт • ч)
No................75 SOA..........12
О2................12,3 NOy..........16 или 700—1000 %о
СО2...............5,6 СО...........0,6
Инертные газы.....0,9 НС...........0,4
Пар Н2О...........6 Сажа.........0,05
Типичный состав выпускных газов для двухтактного МОД
при полной нагрузке, г/(кВт-ч), следующий
NOX.................................. 18,63 или 1300-1800 %о
СО'.................................0,41
НС(СН4).............................1,17
SOY................................ 8,52
О2................................. 1070
СО2..................................590
Н2О..................................250
Частицы.............................0,66
Предлагаемые нормативы ИМО на 1995 г.:
по двухтактным дизелям SOX — 50 %, NOV и летучие орга-
нические составляющие — по 70 % современного уровня;
403
по главным МОД (двухтактным) — 13 г/(кВт-ч), или 5 г/м3
при 5 % О2 в выпускных газах; по главным СОД (четырехтакт-
ным) — 11 г/(кВт- ч), или 4,2 г/м3; S2 в топливе не более 1,5 %.
Предлагаемые нормативы образования окислов азота NOX по
САРВ при 15 % О2 в выпускных газах:
по главным дизелям для судов новых — 130 %о, существующих —
600 %о (S2 ограничить 0,5 % по массе);
по дизель-генераторам для судов новых — 600 %о, сущест-
вующих — 750 %о.
Нормативы САРВ в Калифорнии (США) на NOX при 15 % О2
в выпускных газах:
для новых судов ГД ~~ 2 г/(кВт*ч), или 130 %о, ВД —-
10 г/(кВт-ч), или 600 %0;
для существующих судов ГД — 10 г/(кВт-ч), или 600 %о,
ВД - 12 г/(кВт*ч), или 750 %<,;
для двигателей всех типов, в том числе с искровым зажигани-
ем NOX — 0,49 г/м3 с катализатором и 0,8 г/м3 без катализатора;
СО - 6,67 г/м3;
для судовых дизелей на 1995 г. NOX < 0,53 г/м3 при 5 % О2.
Финские нормативы на NOX, г/(кВт-ч):
танкеры, балкеры, большегрузные суда для генеральных гру-
зов — 12;
суда типа ро—-ро, пассажирские дальнего плавания, ледоколы — 8;
суда рыболовные, снабженцы, прибрежного плавания — 5;
вспомогательные двигатели (дизель-генераторы) — 8.
Источники загрязнения воздуха NOX по шведской статистике:
автомобильный транспорт — 15 %, морской транспорт — 4 %,
другие источники — 81 %.
Немецкие нормативы TA-Luft, г/м3, при 5 % О2 (менее):
четырехтактные двигатели с искровым зажиганием NOX —- 0,5;
СО — 0,65; безметановые углеводороды NMHC — 0,15;
двухтактные двигатели с искровым зажиганием NOX — 0,8;
СО - 0,65; NMHC - 0,15;
на 1991 г, судовые дизельные двигатели NOX — 1,0; пыль —
0,08.
Итальянские нормативы для дизельных двигателей, г/м3, при
5 % О2: NOX - 0,5; СО - 0,65.
Японские нормативы при 0 % О2 для дизельных двигателей на
NOX < 1000 %о, пыль < 0,16 г/м3, с 1994 г. — менее 600 %0; для
судовых дизельных двигателей NOX < 0,47 г/м3.
404
Нидерландские (Голландские нормативы) на NOX, г/м3, при
5 % О2 (менее): на 1992 г. - 0,8, 1994 г. - 0,44, 1995 г. - 0,3.
Швейцарские нормативы для дизельных двигателей, г/м3, при
5 % О2 (менее): NOX — 0,4; пыль — 0,1; СО — 0,65.
Немецкие нормативы, г/м3 (менее), для двигателей, рабо-
тающих:
на природном газе при 5 % О2 NOX — 0,25; СО — 0,65;
NMHC - 0,15;
на газе с системой SCR (Selective Catalytic Reduction) при 0 %
О2, NOX - 0,15; СО - 0,25; NMHC - 0,09.
Нормативы Under Marpol 73/78 JMO (73/78) на NOX, г/(кВт • ч):
для МОД с п < 130 об/мин — 17, СОД с п > 130 об/мин — до
5—10, ВОД с п > 2000 об/мин — 9,84; SOY < 6; в топливе не бо-
лее 1,5 % S2 по массе.
12.2. ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ
ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ
Обработка топлив и масел. В процессе использования горюче-сма-
зочных материалов возникает проблема защиты окружающей сре-
ды от продуктов их испарения. Испаряемость неодинакова у раз-
личных ГСМ: естественно, у бензина, например, испаряемость
значительно выше, чем у смазочных материалов или тяжелых
мазутов. Испаряемость нефтепродукта определяется его фракци-
онным составом.
Исходным сырьем для изготовления нефтепродуктов являет-
ся сырая нефть. Фракционный состав нефти самый широкий.
Переработка нефти базируется на том, чтобы поэтапно извлечь
из нее фракции, т. е. промышленные продукты, которые и по-
ставляются потребителю. В нефти содержатся все необходи-
мые для получения нефтепродуктов фракции: от бензиновых до
самых тяжелых остаточных продуктов типа гудрона. Из нефти
получают и масляную фракцию для выработки базового масла.
Путем ввода в базовое масло соответствующей композиции
присадок получают товарный продукт — масло того или иного
назначения. Аналогичным образом вырабатывают все виды то-
плив — от самых легких (бензинов, легроина и др.) до самых
тяжелых (мазутов). И все это достигается путем перегонки неф-
ти, т. е. путем ее нагрева и последовательного выпаривания
фракций, начиная с самых легких. Последующая конденсация
паров отогнанных фракций позволяет получить товарный про-
дукт в его жидкой фазе.
405
В процессе прямой перегонки могут быть изготовлены бен-
зины, легроины, реактивные и дизельные топлива, прямогон-
ные мазуты (остаточные топлива) различных марок. В целях уве-
личения выхода при переработке нефтей дистиллятных продук-
тов остаточный компонент прямой перегонки обычно подвер-
гают деструктивной переработке, которая представляет собой
разрушение молекул тяжелых компонентов нефти (остатков пря-
мой перегонки), в результате чего формируются более легкие мо-
лекулы (такие, например, получают в процессе прямой перегон-
ки для выработки дизельных дистиллятных топлив).
Таким образом, доля получения из нефти наиболее дефицит-
ных продуктов (каковыми являются легкие дистиллятные топли-
ва) существенно возрастает. Применение этих продуктов всегда
сопровождается испарением в атмосферу наиболее легких ком-
понентов. Количество испаряющихся компонентов зависит от
эксплуатационных условий использования того или иного неф-
тепродукта. Естественно, испаряющаяся доля нефтепродукта яв-
ляется непроизводительной потерей и, кроме того, наносит ог-
ромный вред окружающей среде.
Использование ГСМ на судах предполагает поставку их и
хранение в емкостях бункерующих нефтебаз, подачу на борт
судна, хранение и применение в СДУ. На всех этапах движе-
ния ГСМ к дизелю используется определенная технология их
обработки, каждая из которых предусматривает его подогрев
для поддержания в жидкотекучем состоянии, а также дости-
жения требуемых пределов вязкости и плотности. Следова-
тельно, на всех этапах создаются условия для испарения наи-
более легких компонентов из обрабатываемого нефтепро-
дукта.
Исходя из особенностей испарения ГСМ одним из путей
снижения выброса в атмосферу вредных веществ являются
режимы обработки нефтепродуктов в процессе использования.
При назначении режима подогрева на каждом этапе обработки
следует иметь в виду, что чем выше его температура, тем боль-
ше испарений выбрасывается в окружающую среду. Однако по-
догрев нел решает полностью проблему защиты окружающей
среды, имея в виду не только акватории портов и поверхности
водоемов, но также и здоровье людей (обслуживающий персо-
нал нефтебаз, экипажи судов).
Одним из путей решения проблемы является применение
присадок к топливам, снижающих испаряемость последних
полностью или до безопасного уровня. В настоящее время раз-
работана и рекомендована в качестве образца для опытной про-
верки в эксплуатационных условиях присадка ЧАС-9, физико-
химические показатели которой следующие.
406
Плотность при 20“С, кг/м3........................1010
Молекулярная масса...............................220
Температура, °C
кипения......................................+204
застывания..................................—43
вспышки (определяемая в закрытом тигле).....+122
разложения..................................+233
Элементарный состав, % (по массе):
углерода....................................56,40
водорода....................................8,23
кислорода......................... .........18,20
фосфора.....................................9,44
азота.......................................2,65
фтора.......................................5,08
Присадка ЧАС-9 — прозрачная жидкость желтого цвета,
растворима в топливе и не растворима в воде.
Процесс испарения наиболее легких компонентов из топлива
при нагревании состоит в их перемещении из нижних слоев топ-
ливной среды в результате вытеснения более тяжелыми, опус-
кающимися цод действием силы тяжести.
Механизм действия присадки базируется на том, что она об-
ладает высокими поверхностно-активными свойствами и состоит
из сложных молекул с разветвленной нейтральной частью и не-
сколькими. полярными участками. Такое молекулярное строение
присадки является основой взаимодействия с молекулами топли-
ва на базе “эффекта солюбилизации”. В результате этого в топ-
ливной среде затрудняются процессы замещения легких компо-
нентов топлива более тяжелыми и замедляется перемещение их
вверх. Таким образом уменьшается вероятность интенсивного
испарения легких компонентов. Экспериментальные данные по-
казывают, что использование присадки ЧАС-9 при вводе ее в ди-
зельное топливо в количестве 0,3 % (по массе) снижает его испа-
ряемость в 4—5 раз. Наиболее эффективен ввод присадки путем
разбрызгивания на свободную топливную поверхность в емкости.
Механизм действия присадки ЧАС-9 позволяет предполагать,
что наряду с уменьшением испаряемости она способна умень-
шить также склонность топлива к осадкообразованию.
Любая проблема наиболее эффективно решается путем ис-
пользования комплекса ’ технических решений. Поскольку ко-
личество испаряющегося топлива зависит от температуры подог-
рева, то целесообразно эту температуру поддерживать на возмож-
но низком уровне. Но известно, что температура застывания то-
плив повышенной и высокой вязкости может быть плюсовой (до
25°С). Таким образом, чтобы иметь возможность поддерживать
температуру на нижнем пределе, необходимо уменьшить его тем-
пературу застывания. Это можно обеспечить путем ввода в топ-
ливо депрессорной присадки. В настоящее время такие присадки
находят широкое применение.
407
Табл и ц а 12.1
Показатель ВЭС-6 ВЭС-408 Paradin- 70
Кинематическая вязкость при 50 °C, мм2/с Содержание звеньев винилацетата, % (по массе) Растворимость Депрессия температуры застывания прямо- гонного мазута из парафинистых нефтей при содержании присадки 0,15 % по массе Зольность, % Н< 28 Не менее 10 0,065 в более 70< 8,5—11,5 Полная Не менее 15 0,071 ) 28 20-30 0,05
Разработаны, испытаны и рекомендованы к применению
отечественные депрессорные присадки, физико-химические по-
казатели которых приведены в табл. 12.1.
Комплексность решения проблемы снижения выброса в окру-
жающую среду топливных испарений состоит во введении в топ-
ливо композиции присадок, включающей присадку ЧАС-9 и ка-
кой-либо из депрессорных присадок.
Процесс сгорания топлива и работа масла в цилиндрах дизеля.
Основная группа экологически опасных* веществ образуется в про-
цессе преобразования потенциальной энергии топлива в энерге-
тической установке. Эти газообразные (окислы азота, окись и дву-
окись углерода, сернистый и серный ангидриды) и твердые (агло-
мераты неполного сгорания топлив, нагары и др.) химические ве-
щества выбрасываются из цилиндров в составе выпускных газов.
Как отмечалось, одним из направлений решения задачи по
предотвращению образования экологически опасных веществ
при сгорании топлива является обеспечение его полного и ин-
тенсивного сгорания. В качестве технических решений, обес-
печивающих эффективное сгорание традиционных высоковяз-
ких топлив (основные топлива для СДУ), рекомендуется приме-
нение смеси топлив с пресной водой в виде водотопливной
эмульсии (ВТЭ) и присадок, улучшающих сгорание топлив. Ре-
зультаты многочисленных исследований и практический опыт
применения ВТЭ позволяют четко представить положительный
эффект, который в этом случае достигается.
При работе дизеля на полной эксплуатационной мощности в
топливо вводится вода в количестве 8—12 %, на долевых режи-
мах работы дозирующее устройство обеспечивает повышение со-
держания воды до 15—16 % (не более).
Топливо с введенной* водой подвергается гомогенизации с
целью получения стабильной ВТЭ с глобулами воды в ней при-
мерно 5—6 мкм. Размеры образующихся при этом структурных
(агрегативных) смолисто-водяных систем не превышают 10—12
408
мкм, что обеспечивает вполне удовлетворительную фильтруемость
эмульсии фильтрами дополнительной очистки, установленными
непосредственно перед дизелем. В случае если система топливопо-
дачи на участке до топливного насоса находится под атмосферным
давлением (открытая система), температура подогрева ВТЭ не пре-
вышает 90—95°С, при избыточном давлении допускается темпера-
тура выше 100°С (до значения, обеспечивающего необходимую
вязкость эмульсии при впрыске). Механизм распиливания эмуль-
сии существенно отличается от традиционного способа.
Для эффективного сгорания необходимо обеспечить быстрое
испарение распыленных топливных капель в камере сгорания.
Продолжительность испарения зависит от размера капли: чем
больше капля, тем больше времени требуется для ее испарения.
Дисперсность распыленного топлива в случае его применения в
смеси с водой в виде ВТЭ резко возрастает, поскольку распыли-
вание осуществляется в две фазы: при истечении через сопловые
отверстия форсунки (традиционный метод); под действием ‘'мик-
ровзрывов" капель в результате вскипания последних.
После первой фазы распыливания капля (частица) ВТЭ пред-
ставляет собой структурную систему, внутри которой находится
одна или несколько глобул воды. В камере сгорания такая система
подвергается подогреву.*Под действием сил поверхностного натя-
жения эти системы удерживаются в первоначальном виде. Темпе-
ратура кипения воды примерно в 2 раза ниже температуры кипе-
ния топлива, поэтому удерживаемая в топливе глобула воды при
подогреве капли (частицы) в конце концов в результате вскипания
преодолевает силы поверхностного натяжения находящейся вокруг
нее топливной оболочки ("шубы") и взрывается, разбрызгивая эту
оболочку на мельчайшие частицы распыливания. При этом резко
увеличивается дисперсность распыливания топлива, что обеспечи-
вает быстрое испарение топливных частиц и интенсивное и пол-
ное сгорание топлива. Кроме того, практически полностью пре-
дотвращается образование окиси углерода, снижается образование
окислов азота и существенно уменьшается образование твердых
частиц неполного сгорания топлива.
В целях дальнейшей интенсификации протекания рабочего
процесса, сокращения периода задержки воспламенения и, та-
ким образом, еще большего снижения образования окислов азо-
та разработан способ совмещения двух фаз распыливания, когда
промежуток времени между фазами уменьшен почти до нуля.
Это достигается путем использования "эффекта вскипания" гло-
бул воды в топливных каплях (частицах) сразу же после их обра-
зования при истечении ВТЭ через сопловые отверстия форсунки.
Для того чтобы это происходило, эмульсия, находящаяся при ос-
таточном давлении (10—15 МПа) в трубопроводе (между насосом
409
высокого давления и форсункой) подогревается до температуры
150—200°С. При подаче ВТЭ с такой температурой подогрева под
давлением 50—80 МПа через сопловые отверстия форсунки в ка-
меру сгорания происходит мгновенное вскипание глобул воды в
распыленных каплях (частицах), т. е. образуются микровзрывы.
При этом резко уменьшается период задержки воспламенения,
интенсивное сгорание топлива происходит при отсутствии обра-
зования окиси углерода и минимальном образовании окислов
азота. В результате интенсивного сгорания топлива уменьшается
образование других вредных для окружающей среды веществ
(твердых агломератов, сажи и др.), а также полностью исключа-
ется образование веществ вида СН.
Наряду с рассмотренными вариантами интенсификации процес-
са сгорания топлива (совершенствование процессов распиливания,
равномерное распределение и испарение топливных частиц) не ме-
нее эффективно применение многофункциональных присадок,
обеспечивающих снижение образования вредных для окружающей
среды веществ. В этом случае интенсификация процесса сгорания
топлива достигается действием присадок в качестве доннарно-ак-
цепторных веществ в процессе окисления углеводородов.
Применяют множество различных присадок, интенсифици-
рующих сгорание топлив, что хотя и способствует уменьшению
образования в камере сгорания экологически опасных веществ,
однако не дает достаточных результатов в отношении защиты
окружающей среды (особенно это касается окислов азота).
Решение данной задачи обеспечивается, если предотвратить или
существенно уменьшить в процессе сгорания топлива образование
химически активного азота. Как уже рассматривалось, химически
активный азот в атомарном виде образуется при температуре выше
1500°С, при которой с электронных орбит начинается процесс сры-
ва электронов, Одновременно с этим идет и процесс рекомбинации,
т. е. захват свободных электронов атомами и молекулами азота.
Таким образом, в основе решения задачи уменьшения образо-
вания окислов азота лежит создание в камере сгорания условий
по интенсификации процесса рекомбинации. Для этого необхо-
димо, чтобы в камере сгорания находилось большое количество
свободных электронов. В условиях, когда поток свободных элек-
тронов в результате их ухода через стенку камеры сгорания ста-
новится менее плотным, процесс рекомбинации замедляется.
Чтобы этого не происходило, нужно вместе с топливом в камеру
сгорания ввести присадку, состоящую из химического вещества,
которое при высокой температуре легко распадается с образова-
нием большого количества свободных электронов, т. е. оно
должно легко переходить в полуплазменное (или плазменное)
состояние. В настоящее время на этом принципе действия разра-
410
ботаны и испытываются опытные образцы присадок, которые
после их промышленного освоения будут рекомендованы к ши-
рокому применению в СДУ.
Рассмотренные способы и технические средства предотвраще-
ния образования экологически опасных для окружающей среды
веществ в камере сгорания касались тех технических решений,
которые широко применяют при использовании обычных товар-
ных топлив и масел, поставляемых потребителю отечественны-
ми и зарубежными нефтеперерабатывающими компаниями.
Кроме рассмотренных направлений решения экологической
проблемы, наиболее эффективно повышение эксплуатационных
и экологических свойств самих горюче-смазочных материалов.
Топлива с улучшенными свойствами по сравнению с анало-
гичными топливами, вырабатываемыми в настоящее время,
должны быть: узкофракционного состава, с меньшими испаряе-
мостью и склонностью к осадкообразованию, меньшим содержа-
нием серы, с контролируемым содержанием тяжелых металлов и
минусовой температурой застывания.
Смазочные материалы по сравнению с аналогичными, выра-
батываемыми в настоящее время, в композициях присадок не
должны содержать тяжелых металлов.
12.3. НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ
Применяемые меры позволяют в значительной мере снизить
содержание в выпускных газах экологически опасных веществ.
Тем не менее какое-то их количество образуются и выбрасы-
ваются вместе с газами в окружающую среду. Это прежде всего
окислы азота NOX, сернистый и серный ангидриды SO2 и SO3 и
твердые агломераты неполного сгорания топлива и масла в виде
сажи. В процессе эксплуатации в зависимости от состояния ди-
зеля (нагарообразования в цилиндрах и выпускных трактах, ра-
ботоспособности топливоподающей аппаратуры и др.) содержа-
ние экологически опасных веществ в выпускных газах может
превышать предельно допустимые значения. Поэтому как бы за-
вершающим мероприятием в полном решении проблемы защиты
окружающей среды от вредных выбросов с выпускными газами
является очистка последних в специальных устройствах.
В основу очистки выпускных газов от экологически опасных
веществ положены: создание условий для образования в парах
воды азотной кислоты (по реакции Н2О + NOX -> HNO3); ней-
трализация азотной кислоты в фильтрующих элементах [по реак-
ции HNO3 + (щелочь) -> (Ca)NaNO4 + Н2О]; механическая очи-
стка от твердой фазы (сажи).
411
Выпускной газ из дизеля поступает в очистительное устройст-
во, в корпусе которого размещены (рис. 12.2): очистительная
орошаемая противоточная перегородка, орошающее устройство,
нейтрализующие пакеты для газа I и воды II, циркуляционная
система с охладителем и насосом.
Нейтрализация экологически опасных веществ и очистка от са-
жи выпускных газов производятся во время работы дизеля непре-
рывно. Загрязненные выпускные газы поступают на очистку. Сажа
удаляется с помощью противоточной перегородки, состоящей из
набора гофрированных полос, которые располагаются внахлест
так, чтобы газ, поднимаясь, проходил через эту перегородку. При
этом перегородка орошается водой, поступающей под давлением
через сопловые отверстия. Сажа смывается с перегородки водой и
скапливается над нейтрализующим пакетом для воды. Очищенный
от сажи газ поступает к нейтрализующему пакету.
По конструктивному исполнению нейтрализующие пакеты
для газа и воды одинаковы. Пакет представляет собой вертикаль-
но расположенные элементы между сетчатыми перегородками.
Нейтрализующие элементы состоят из пористого синтетическо-
го волокнистого или керамического материала. Каждый из эле-
Выход газа
из дизеля
Рис. 12.2. Принципи-
альная схема устройст-
ва по нейтрализации
экологически опас-
ных веществ и очистке
от сажи выпускных га-
зов дизеля:
7 — корпус очиститель-
ного устройства; 2 — оро-
шающее устройство; 3,
11 — сетчатые перего-
родки; 4 — сопловые от-
верстия; 5 — противо-
точная перегородка; 6,
9 — нейтрализующие
элементы; 7 — охлади-
тель; 8 — насос; 10 — ем-
кость для очищенной во-
ды; 12 — боковой люк
412
ментов пропитывается щелочным веществом, который и вступа-
ет в реакцию с кислыми продуктами, поступающими вместе с
очищенными от сажи выпускными газами.
В пакете для воды очищенная вода накапливается в полости,
откуда циркуляционным насосом через охладитель подается в
систему орошения.
Элементы нейтрализующих пакетов по мере работы и потери
нейтрализующих функций подлежат регенерации, т. е. очистке
от скопившихся в порах продуктов нейтрализации кислот и за-
полнению очищенных пор щелочным составом. Продолжитель-
ность работы элементов должна составлять не менее 1500 ч рабо-
ты дизеля, что оледует учитывать при проектировании устройства
для нейтрализации экологически опасных веществ и сажи в вы-
пускных газах дизеля.
Твердая фаза (сажа), скапливающаяся над нейтрализующим
пакетом для воды, удаляется по мере накопления через боковые
люки. Скапливающиеся отходы в виде твердой фазы (сажи) и
продуктов регенерации элементов пакетов подлежат сдаче с суд-
на на берег.
Рассмотренное устройство проходит стендовые испытания,
после чего будет рекомендовано для промышленного освоения и
применения на судах.
12.4. УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ ТОПЛИВ И МАСЕЛ
НА СУДАХ БЕЗ ОБРАЗОВАНИЯ
ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ
Эксплуатация дизельных установок сопровождается накопле-
нием отходов топливного и масляного происхождения, которые
при определенных условиях можно утилизировать в судовых ус-
тановках. К ним относятся отходы: очистки топлив от механиче-
ских примесей и вода; отработавшие масла (цилиндровые) одно-
разового использования; очистки масел многоразового использо-
вания (циркуляционные масла) от механических примесей и
воды.
Отходы очистки топлив от механических примесей в значи-
тельных количествах образуются в процессе обработки топлив
традиционными средствами — сепараторами. В этом случае при
обработке топлива повышенной или высокой вязкости образуют-
ся отходы в количестве 2—3 % количества прошедшего очистку
топлива. В составе этих отходов — наиболее тяжелые компонен-
ты топлива (смолы), механические примеси органического и не-
органического происхождения и вода. Причем, здесь содержатся
в основном смолы и вода, которые в виде структурных (агрега-
тивных) систем при сепарации перешли в отходы.
413
В последние годы ведущие фирмы по изготовлению сепараторов
("Альфа-Лаваль", "Вестфалия”) предложили технологию обработки от-
ходов, которая горючую часть (смолы) очищает от механических при-
месей и воды, а затем возвращает ее в топливную систему для приме-
нения. В этом случае система подготовки топлива существенно ус-
ложняется. Вместо такой сложной технологии для судов рекомендо-
вана система топливоподготовки с химико-динамической обработкой
топлива, предусматривающая перед тем, как подвергнуть его очист-
ке, ввод диспергирующей присадки и гомогенизацию (см. п. 7.7). При
этом перед сепарацией (или фильтрацией) разрушаются структурные
(агрегативные) системы топлива и в отходы переходят только меха-
нические примеси и вода, а не смолы. При такой подготовке топлива
задача по утилизации отходов на судне просто отсутствует.
Что касается традиционной системы подготовки топлив на судах,
то отходы сепарации могут быть использованы и без дополнитель-
ной обработки отходов путем их добавки в топливо для автономных
вспомогательных котельных установок. Такая же технология воз-
можна и для утилизации отходов масел одноразового использова-
ния, а также отходов, образующих в результате очистки традицион-
ными методами обработки (сепарация) масел многоразового ис-
пользования. Во всех случаях утилизации отходов обработки топлив
и масел путем их добавки к штатному топливу вспомогательной ко-
тельной установки увеличивает в ее выпускных газах содержание
экологически опасных веществ. В связи с этим необходима очистка
газов от сажи и нейтрализация вредных веществ с применением
специального устройства (см. рис. 12.2). В тех случаях, когда подго-
товка топлива производится с применением химико-динамической
обработки, отходы собирают и сдают на берег.
Смазочные материалы являются дорогостоящим продуктом. В свя-
зи с этим утилизация на судах масел одноразового использования, а
также отработавших свой срок масел многоразового использования
путем их добавки в штатное топливо для котельных установок эконо-
мически не оправдана. Наиболее целесообразна регенерация отрабо-
тавших масел, для чего они должны сдаваться на берег на нефтепере-
рабатывающие заводы либо на специальные предприятия, организо-
ванные в портах на бункерных базах.
Регенерация отработавших масел на нефтеперерабатывающих за-
водах осуществляется по традиционной технологии перегонки нефте-
продуктов с использованием широко известных способов в отечест-
венной и иностранной практике.
Технология регенерации смазочных материалов в стационарных
условиях на бункерных нефтебазах (рис. 12.3) существенно отлича-
ется от традиционной заводской. В настоящее время такая техноло-
гия разработана и отдельные его элементы проходят испытания.
414
Рис. 12.3. Принципиальная схема регенерации отработавших судовых
смазочных материалов:
1 — емкости для отработавших смазочных материалов; 2, 5, 8 — насосы; 5, 10 — очистительные
модули; 4 — подогреватель; 6 — форсунка; 7 “ вакуумная камера; 9, 11 — охладители; 12 — ем-
кости прошедшего регенерацию масла; 13 — гомогенизатор; 14 — смесительная камера; 75 — до-
зирующие устройства; 16 — присадочные емкости
Отработавшие смазочные материалы поступают с судна и сли-
ваются в емкости (для каждого вида масла должна быть предусмот-
рена своя емкость). Смешение различных масел не допускается, по-
скольку в этом случае более сложно в результате обработки по-
лучить требуемую марку масла. Из емкостей отработавшие масла
насосом 2 подаются на предварительную очистку от механических
примесей и воды, в очистительный модуль 3, в котором предусмат-
ривается их обработка (гомогенизация с последующей фильтраци-
ей). Характерной особенностью масел судового назначения является
их загрязнение топливом, используемым в дизеле, поэтому после
предварительной очистки отработавшее масло нагревается в подог-
ревателе До заданной температуры (для каждого масла выбирается
свой уровень подогрева) и подается насосом высокого давления 5
через форсунку в вакуумную камеру в распыленном виде.
В связи с тем что топливные компоненты имеют более низкую
температуру испарения, они переходят в парообразное состояние.
Для этого в каждом случае выбирается режим (температура подогре-
ва распиливаемого отработавшего масла и вакуум в камере) таким,
чтобы топливо испарялось, а масло оставалось в жидком состоянии.
Масло, очищенное от топлива, скапливается в нижней-части
вакуумной камеры, а пары топлива вакуумным насосом 8 из ка-
415
меры удаляются, а затем поступают в охладитель Р, где и конденси-
руются. Очищенное масло после накопления в камере и завершения
режима вакуумной обработки поступает в модуль 10 основной очи-
стки, где подвергается гомогенизации и последующей фильтрации.
При этом из масла удаляются, кроме механических примесей орга-
нического и неорганического происхождения, растворимые продук-
ты ркисления. С этой целью в фильтрационной установке дополни-
тельно установлен нейтрализующий элемент — пористый материал
(керамический или волокнистый), который пропитан щелочным ве-
ществом, способным связывать растворимые в масле продукты его
окисления. После очистки масло поступает в смесительную камеру,
куда из присадочных емкостей через дозирующие устройства по-
даются присадки в количествах, рассчитанных с учетом количеств
оставшихся в отработавшем масле присадок, которые были введены
в свежее базовое масло в процессе его изготовления на заводе.
Масло с введенными в него присадками для получения равно-
мерного их распределения подвергают дополнительной обработ-
ке в гомогенизаторе, после этого оно поступает в охладитель 7/,
откуда в охлажденном виде поступает в емкости готового (про-
шедшего регенерацию) масла.
Предложенная технология регенерации отработавших масел на-
ряду с решением экономических задач по сбережению ресурсов
смазочных материалов не вызывает экологической опасности в
процессе ее использования в портах и на нефтебазах пароходств.
Образующиеся в процессе регенерации отработавших масел в
виде твердой фазы (механических примесей) отходы незначи-
тельны и подлежат утилизации на специальных предприятиях
для получения продуктов типа асфальта и др. Отгоняемые в про-
цессе регенерации отработавших масел топливные компоненты
могут использоваться как добавка к штатным топливам в СЭУ.
12.5. ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ
С ВЫПУСКНЫМИ ГАЗАМИ
Состав отработавших газов. При сжигании углеводородных топ-
лив в судовых дизелях наряду с безвредными для окружающей среды
компонентами отработавших газов (кислородом, азотом и водяным
паром) в атмосферу выбрасываются также экологически вредные ве-
щества. На схеме рис. 12.4 слева показаны химические вещества, вво-
димые в цилиндр с топливом, воздухом и смазочным маслом, а спра-
ва — выбрасываемые в атмосферу в результате осуществления рабочих
процессов в цилиндрах. Безвредные или нейтральные (СО2) вещест-
ва в сумме составляют 99,75 % объема отработавших газов. Остальные
0,25 % (или 2500 частей на миллион — промилле %о) включают в себя
416
окисли азота NOX, серы SO*, окись углерода СО, углеводороды СхНу
и частицы (сажа, зола). Содержание частиц принято измерять в мил-
лиграммах на кубический метр газа в нормальных условиях (мг/нм3).
Окись углерода, сажа и углеводороды являются результатом непол-
ного сгорания топлива. В связи с большим избытком воздуха в отра-
ботавших газах судовых дизелей их немного по сравнению с их ко-
личеством в высокооборотных автотракторных дизелях и особенно
бензиновых карбюраторных двигателях. Однако некоторые углеводо-
роды обладают сильными канцерогенными свойствами, поэтому, не-
смотря на малую концентрацию, проблема снижения выброса этих
компонентов актуальна. Такие химические вещества, как NOX, СО,
SOX и др., попадая в атмосферу, нарушают ее естественный эколо-
гический баланс вследствие образования слабых кислот.
В табл. 12.2 приведен диапазон значений выброса вредных компо-
нентов с отработавшими газами дизелей, указаны их предельно до-
пустимые концентрации и характер воздействия на человека (данные
ИМО).
Доля NOX и SO2 в отработавших газах дизелей составляет
более 80 % объема всех вредных выбросов, поэтому задача снижения
эмиссии этих компонентов составляет основу проблемы создания
экологически чистых судовых дизелей. Содержание окислов серы в
отработавших газах обусловлено наличием серы в топливе. При окис-
лении серы в камере сгорания дизеля образуются SO2 и SO3, причем
преимущественно SO2 (соотношение 15:1). Образование окислов азо-
та в камере сгорания дизеля обусловлено наличием больших ко-
личеств азота, кислорода и высокими температурами в отдельных зо-
нах расслоенного заряда. Окисление азота начинается при температу-
ре выше 1227 °C, а при 2027 °C и более реакция протекает достаточно
быстро (время, реакции около 10~2—10-6 с).
Теплота
Qz~21
Н2-79
НС-97
3-3
НС-97
Ca.-2t5
S-0,5)
Воздух
Топлибо
Масло
8,5 г/'(кВт-ч)
175 г/(кВт-ч)
1 г/(кВт ч)
Страда-
тадтие
газы
Работа
г 02-13
Н2-75Я
СО2~3,6
Н?О 5,35
g/qo
МО*-1500
SO*-800
СО-со
НС-180
у а ст и цы
I (сажа, зол а.)
025мг/нм 5
Рис. 12.4. Типичный состав отработавших газов судового МОД, работающего
на режиме 100 %-ной нагрузки
14 Зак. 1596 4 1 7
Таб ли ца 12.2
Груп-
па
Примесь
ПДК
Концентрация
примеси
Концентрация, %, и воз-
действие на человека
1 Азот N2, кис-
лород О2, водород
Н2, водяной пар
Н2О, углекислый
газ СО2
2 Окись углерода
СО
0,0008
0,005—0,5
Окислы азота
NO, NO2
Углеводородные
соединения CrHv
«Л /
Альдегиды —
акролеин,
СН2СНСНО (жид-
кость), формальде-
гид НСОН (газ)
0,00001
Сажа С
Сернистый ан-
гидрид
0,00009 в
пересчете
на N2O5
0,00001
0,000038
0,000012
0,004-0,2
0,013-0,047
0,001-0,004
0,01-0,5*
0,003-0,05
0,01 — хроническое
отравление при длитель-
ном воздействии; 0,05 —
слабое отравление через
1 ч; 1,0 — потеря созна-
ния после нескольких
вздохов
0,0013 — раздражение
слизистых оболочек носа
и глаз; 0,004—0,008 —
отек легких
Раздражение слизис-
тых оболочек, образова-
ние опухолей
0,0005 — трудноперено-
симо; 0,007 — раздраже-
ние дыхательных путей и
глаз
Загрязнение воздуха и
воды, ухудшение види-
мости
0,0017 — раздражение
глаз; 0,004 — отравление
через 3 мин
* Концентрация указана в миллиграммах на литр.
Окись азота образуется в зонах топливного факела, где смесь
приближается по составу к стехиометрической, а локальная тем-
пература может достигать 2227°С. И хотя максимальная темпера-
тура в дизелях не превышает 1727°С, указанное обстоятельство
обусловливает высокие значения эмиссии NOX. Окислы азота об-
разуются также из-за наличия азота в топливе. Как показали ис-
следования, этот азот значительно более активен в химических
реакциях окисления по сравнению с атмосферным азотом.
Характеристики вредных выбросов. В соответствии с междуна-
родным стандартом ИСО используются следующие характери-
418
стики для измерения эмиссии вредных выбросов ДВС: состав
газообразных выбросов Сь %; скорость выделения выбросов Еь кг/ч;
удельный выброс eh кг/(кВт-ч); выброс вредного компонента
на 1 кг топлива е/5 кг/кг топлива.
Характеристики вредных выбросов связаны между собой сле-
дующими соотношениями:
Ei
ei= %; G =
г
где (7T — расход топлива на двигатель, кг/ч; Ne — эффективная мощность
двигателя, кВт; ge — удельный эффективный расход топлива, кг/(кВт*ч);
Gr — массовый расход газов, кг/ч; к — коэффициент, равный отноше-
нию молекулярной массы газов к молекулярной массе вредного компо-
нента, т. е. к — цг/|1/.
Например, для окислов азота цг =. 29,3; pN0 = 44,4, тогда
к = 0,66;
GmO
CN0 <= 0,66-^100.
л w г
Расход газов через двигатель можно представить следующим
образом:
((p^ciZ/Q "Ь 1)(7Т,
где фд — коэффициент продувки; а — коэффициент избытка воздуха
при сгорании; Lq — теоретическая масса воздуха, необходимая для сго-
рания 1 кг топлива.
После подстановки последней формулы в уравнение для Q и
несложных преобразований получим:
G = £е,/(а(рд£0 + 1).
Из этой формулы следует, что объемная концентрация вред-
ных компонентов в отработавших газах зависит от степени раз-
бавления воздухом, поэтому для сравнения уровня их эмиссии
для различных дизелей величину С/ приводят (пересчитывают) к
концентрации избыточного кислорода в сухих отработавших га-
зах (после конденсации паров ЩО), равной 15 %.
Вследствие изменения условий смесеобразования и сгорания
топлива в цилиндре при работе дизеля на различных скоростных
нагрузочных режимах меняются количества выделяемых с отра-
14* 419
Нагрузка; %
Рис. 12.5. Эмиссия окислов азота с от-
работавшими газами судового СОД
при работе на режимах нагрузочной 2
и винтовой I характеристик
ботавшими газами вредных компонентов. На рис. 12.5 приведена
типичная картина эмиссии окислов азота судовым четырехтакт-
ным дизелем Ваза 32 (фирма "Вяртсиля") при работе по винто-
вой и нагрузочной характеристикам. Из сопоставления кривых
для одних и тех же нагрузок видно, что CN0 при работе на винт
в среднем больше на 20 %, чем при постоянной частоте враще-
ния. Подобная картина характерна и для МОД.
По данным фирмы МАН — "Бурмейстер и Вайн" эмиссия
вредных компонентов в зависимости от серии, числа цилинд-
ров, уровня форсировки может существенно различаться. Так, у
дизелей серии MCE в среднем CNO ~ 1000 %о (0,1 %), тогда как
дизели более ранних выпусков (серия GFCA) имеют эмиссию
около NO^ = 1600 %о.
Борьба с вредными выбросами при работе судовых дизелей. Комис-
сия по защите морской среды (the Marine Environment Protecting
Committee — МЕРС) при Международной морской организации
(ИМО) занимается разработкой международных правил для огра-
ничения допустимых выбросов вредных компонентов с отработавши-
ми газами судовых дизелей. Вступление в силу первого международ-
ного и регионального (Норвегия, Балтийское море) законодательств
по выбросам окисей азота и серы ожидается к 1998—2000 гг. Требова-
ния по ограничению выброса вредных компонентов с отработавши-
ми газами объектов морского транспорта будут дополнением к кон-
венции МАРПОЛ-73/78.
В настоящее время действующее законодательство по выбросам
морского транспорта имеет местный характер. Приведем несколько
примеров: запрещена работа вспомогательных двигателей паромов в
порту Гамбург и в Швеции (требуется подключение к береговой се-
ти); ограничено использование тяжелого топлива с высоким содержа-
нием серы на паромах (г. Стокгольм, Швеция, г. Хельсинки, Фин-
ляндия); заданы пределы для выбросов окислов азота и серы дизеля-
ми речных судов в определенных районах Калифорнии, США.
В России с 1983 г. введен государственный стандарт
(ГОСТ 24585—81), ограничивающий выбросы NOX и СО для су-
420
довых, тепловозных и промышленных дизелей следующими
значениями: eNO = 14 н- 29 [для эксплуатационной характеристи-
ки cNOx
= Age) г/(кВт*ч) и Сео = Ю г/(кВт-ч)]. Для сравнения:
при работе судового малооборотного дизеля A/О Брянского ма-
шиностроительного завода 8ДКРН60/195 (L60MC) по винтовой
характеристике на режимах от 25 до НО % Ne (стендовые испыта-
ния) соответствующие характеристики вредных выбросов состави-
ли eN0 = 10,5 -г- 8,7 г/(кВт-ч); = 0,87 -г 0,36 г/(кВт-ч).
Выбросы SOY обусловлены содержанием серы в топливе. Сни-
зить этот выброс можно, снизив содержание серы в топливе пу-
тем очистки топлива или очисткой отработавших газов.
Несмотря на то что очистка топлива от серы на перерабаты-
вающих заводах ведет к его удорожанию, этот вариант, по-види-
мому, будет использоваться как основной. Это обусловлено тем
обстоятельством, что удаление SOX из отработавших газов путем
пропуска через устройства мокрой очистки (скрубберы) потребу-
ет очень больших капитальных вложений. Возникают также про-
блемы в связи с необходимостью хранения и сдачи на берег сер-
ной кислоты слабой концентрации (большие объемы жидкости
потребуют достаточных емкостей), а следовательно, приведут к
повышению эксплуатационных расходов.
При введении международных норм на выброс NOX возникнет
необходимость выбрать достаточно эффективный метод снижения
эмиссии окислов азота. Борьбу с выбросом можно вести первичными
методами, воздействуя на рабочие процессы дизелей таким образом,
чтобы уменьшить количество образующихся NOX в цилиндрах.
Первичные методы можно разделить на две группы:
требующие изменения конструкции дизеля или отдельных
его элементов, реализуемые при разработке новых дизелей (со-
вершенствование системы впрыска и смесеобразования дизеля,
системы турбонаддува; выбор оптимальных газораспределения,
степени сжатия, частоты вращения коленчатого вала; организа-
ция вихревого движения заряда в камере сгорания и др.);
не требующие существенного изменения конструкции, реали-
зация которых возможна при незначительной модернизации ди-
зеля (перевод дизеля на работу на ВТЭ, изменение фаз топливо-
подачи, рециркуляция части отработавших газов и др.).
Реальную апробацию прошли первые два способа, реализо-
ванные фирмой МАН — «Бурмейстер и Вайн». Физический
смысл влияния этих факторов на эмиссию NOX состоит в том,
что в обоих случаях уменьшается температура газов при сгорании
топлива, определяющая скорость образования NOX в цилиндре.
421
Рис. 12.6. Изменение концентрации
NOy в отработавших газах судового
дизеля и его топливной экономично-
сти при работе на ВТЭ для режимов
мощности 100 % (кривые 2) и 81%
(кривые 1)
На рис. 12.6 приведены результаты испытания судового МОД
фирмы МАН — «Бурмейстер и Вайн» 7L90GSCA при работе на
ВТЭ в сочетании с уменьшенным углом опережения подачи топ-
лива. В верхней части рисунка приведены кривые изменения
объемной концентрации NOX в отработавших газах (в пересчете
на 15 % О2) в зависимости от количества присадочной воды в
ВТЭ для двух режимов: 100- и 81 %-ной мощности; штриховой
горизонтальной линией показан предельный уровень
CN0 = 600 %0, установленный агентством по предотвращению
л:
загрязнения окружающей среды США. В нижней части рисунка
показано, как при этом увеличивается удельный эффективный
расход топлива.
Результаты испытаний позволили определить оптимальные
значения факторов для достижения требуемого уровня эмиссии:
доля присадочной воды 22 %; угол опережения подачи уменьшен
на 2° поворота коленчатого вала. Удельный эффективный расход
топлива увеличен при этом на 2 г/(кВт-ч), что обусловлено уве-
личением продолжительности впрыска топлива и снижением
максимального давления сгорания.
Специалисты полагают, что еще более существенный эффект
может быть достигнут при рециркуляции части отработавших га-
зов из выпускной системы на всасывание центробежного ком-
прессора. При этом уменьшается концентрация кислорода в сме-
си газов в цилиндре, возрастают теплоемкость и газовая постоян-
ная рабочего тела и, как следствие, уменьшается температура газов
в цилиндре при сгорании топлива. Оба фактора обусловливают
уменьшение количества NOX, образующихся в цилиндре. Однако
перепуск газов ведет к снижению коэффициента избытка воздуха
при сгорании, поэтому такой способ применим, когда имеется
достаточный запас по воздуху (например, на малых нагрузках).
422
В дизелях, работающих на высокосернистых топливах, этот спо-
соб неприемлем, так как в отработавших газах, перепускаемых
на всасывание, содержится значительное количество SOX.
При наличии значительного количества паров воды в надду-
вочном воздухе будет происходить интенсивное образование сер-
ной кислоты в воздушном тракте и цилиндрах при продувке.
Аналогичные проблемы возникают и при работе дизелей на ВТЭ:
опыт работы в Северном морском пароходстве показал интен-
сивное коррозионное разрушение газовыпускного тракта.
К первичным методам снижения эмиссии можно отнести так-
же выбор оптимального режима работы дизеля. Например, если
главный дизель нагружен винтом регулируемого шага, то для
снижения эмиссии NOX малый и средний ход целесообразно
осуществлять в режиме постоянной частоты вращения
(л = const), т. е. изменять скорость судна тол,ько путем измене-
ния шага винта. Это позволит снизить выброс NOX на 10—20 %
цо сравнению с режимами комбинаторной кривой.
В целом благодаря применению первичных методов реально
достичь снижения эмиссии NOX на 30—50 %. В том случае, если
международным законодательством будут введены более жест-
кие требования по ограничению выбросов, первичных методов
будет недостаточно и будет необходимо использовать вторичные
методы или их комбинацию с первичными.
В настоящее время предлагается лишь одна технология для
сокращения выбросов NOX — селективная каталитическая очи-
стка отработавших газов (SCR — Selective Catalytic Reduction).
Суть ее заключается в том, что отработавшие газы пропускают-
ся через реактор, содержащий катализатор. В реактор подается
газообразный аммиак NH3. При температуре отработавших га-
зов 350—450°С в реакторе протекают химические реакции меж-
ду NOX и NH3, результатом которых являются безвредные про-
дукты — азот и водяной пар.
Проблематичны в этом методе высокая стоимость и большие
размеры системы. SCR-реактор по размеру равен приблизитель-
но половине дизеля (рис. 12.7). Расходы на установку и эксплуа-
тацию SCR-реакторов в существенной степени зависят от задан-
ной степени очистки отработавших газов от NOX. По данным
фирмы ’’Вяртсиля" при увеличении степени очистки с 50 до 90 %
расходы на эксплуатацию составляют 250 % (с 1 до 2,5 дол. США
на 1000 кВт - ч в ценах 1992 г.).
В настоящее время в опытной эксплуатации находятся не-
сколько судов с малооборотными дизелями фирмы МАН ~ Бур-
мейстер и Вайн, а с 1992 г. введен в эксплуатацию паром с дизе-
лем фирмы "Вяртсиля" типа Ваза 6R32E с SCR-установками.
423
Палуба 4-я
Рис. 12.7. План машинного отделения с системой SCR для парома с главным
дизелем типа 6R32:
1 — реактор SCR; 2 — дизель
В связи с тем что температура отработавших газов СОД доста-
точно высока, SCR-реактор размещают после турбины. В мало-
оборотных дизелях приходится устанавливать их до ГТН, что вы-
зывает ряд проблем в эксплуатации: из-за большого объема реак-
тора ухудшаются характеристики системы наддува, понижается
надежность турбины из-за утечек непрореагировавшего аммиака
и катализаторной пыли; не решена проблема загрязнения ката-
лизатора сажей и золой.
На основании обобщения опыта специалисты считают, что на
ближайшие годы для судовых установок предпочтительно сокра-
щение выбросов NOy с помощью первичных методов.
424
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Большаков В. Ф., Гинзбург Л. Г. Применение топлив и масел в
судовых дизелях. М.: Транспорт, 1976. 214 с.
Большаков В. Ф., Решетников И. П., Яковенко В. Г.
Рациональное использование природных ресурсов на морском транспорте. М.:
Транспорт, 1992. 256 с.
Возницкий И. В., Михеев Е. Г. Судовые дизели и их эксплуата-
ция. М.: Транспорт, 1990. 360 с.
Гаврилов В. С., Камкин С. В., Шмелев В. П. Техническая
эксплуатация судовых дизельных установок. М.: Транспорт, 1985. 285 с.
Гулин Е. И ., Сомов В. А., Чечот И. М. Справочник по го-
рюче-смазочным материалам в судовой технике. Л.: Судостроение, 1981. 364 с.
Камкин С. В., Возницкий И. В., Шмелев В. П. Эксплуата-
ция судовых дизелей. М.: Транспорт, 1990. 344 с.
Камкин С. В., Л е м е щен ко А. Л., Пунда А. С. Повышение
экономичности судовых дизелей. С.-Петербург: Судостроение, 1992. 168 с.
Кацман Ф. М. Эксплуатация пропульсивного комплекса морского суд-
на. М.: Транспорт, 1987. 219 с.
Кацман Ф. М., Дорогост а йский Д. В. Теория судна и движи-
тели. Л.: Судостроение, 1979. 232 с.
Регистр СССР. Правила классификации и постройки морских судов. Т. 2. Л.:
Транспорт, 1990. 442 с.
Овсянников М. К., Петухов В. А. Дизели в пропульсивном ком-
плексе. Л.: Судостроение, 1987. 254 с.
Овсянников М. К., Петухов В. А. Судовые дизельные установ-
ки. Л.: Судостроение, 1986. 420 с.
Олей ни ков Б. И. Техническая эксплуатация дизелей судов флота рыб-
ной промышленности. М.: Агропромиздат, 1986. 259 с.
Правила технической эксплуатации судовых технических средств. М.: Мортех-
информреклама, 1984. 386 с.
Свистунов Н. М., Кича Г. П., Надежкин Ф. В. Контроль
эксплуатационных свойств топлив и масел. М.: В/О Мортехинформреклама,
1989. 67 с.
Селиверстов В. М., Иванов И. А., Водопьянов И. А.
Очистка топлива на речном флоте. М.: Транспорт, 1986. 223 с.
G. Н. Clark. Industrial and Marine Fuels, Reference Book, Butterworth, Lon-
don, 1988.
Kjcll Haugland Energy conservation in shipping through quality control of
Bunkers and the role of analisses. Bomlay, 1993.
Recomendations conserning the designe of Heavy Fuel Treatment plants for diesel
engines С. I. M. A. C., 1987, vql 8.
Recomendations regarding fuel requirements for diesel engines. С. I. M. A. C.,
1990, vol. 11.
425
предметный указатель
Валогенератора привод 32, 33, 34
Валопровод, обслуживание 20, 21, 22
— подготовка к действию 232
Водотопливная эмульсия;
влияние на эксплуатационные показатели дизе-
ля 321
применение 319
состав 320
Выпускные газы:
вредные выбросы 418
---ограничение 420, 421
------методы вторичные 423
------первичные 421
очистка 411
состав 403, 416
— нормативы ИМО 403
теплота необходимая 128
---в различных схемах утилизации 128—131
— располагаемая 122
---потеря 125, 126
---температура 126, 127
— точка росы 123
Гребной винт:
диаграммы взаимодействия с ГД и корпусом 69,
71, 72
диаметр 65
коэффициент полезного действия 65
относительная поступь 67
отношение дисковое 65
— шаговое 66
параметры расчета 108
показатели работы 59, 68
скольжение 66
Двигатель паровой 8
Дейдвудное устройство 22
Дизели:
главный длинноходный двухтактный 25
— коэффициент полезного действия 102
--------повышение 102
----------оптимизация рабочего процесса 106
----------применение длинноходных
дизелей 106
-------------турбокомпаундных систем 103
------------- турбонаддува 102
-----------увеличение максимального давления
сгорания 103
-----------утилизация тепловых потерь 113
— относительный ресурс до переборки 175
— перегрузка 55
---тяговая характеристика 55,56
— подготовка к пуску 229
системы забортной воды 231
охлаждения 230
сжатого воздуха 231
— смазывания 230
тяжелого топлива 231
— пуск 52, 234
— реверсирование 52
— управление 52
использование МОД и СОД 18
Катерпиллар 197
— показатели 197
— электронное управление режимами 198
426
малооборотные, надежность 39
----------Бурмейстер и Вайн 43
Зульцер 39
МАН 41
отказы 39
надежность 16, 36
— влияние режима приработки 39
работы с частыми изменениями нагрузки 38
частоты вращения 38
— перегрузка и снижение запасов прочности 38
— связь с ТИ 37
— чувствительность к эксплуатационным режи-
мам 38
отношение хода поршня к диаметру 26, 27, 106
параметры 15, 19
перевод на другое топливо 325
режимы спецификационные 26
среднеоборотные 30
— надежность 44
----газораспределительного механизма 45
----системы охлаждения 47
------пускового и управляющего воздуха 50
------смазывания 46
----систем обслуживающих 46
Дросселирование 50
периодическое 50
постоянное 50
Ингибиторы — см. Система охлаждения, присадки
в охлаждающую воду
Кавитационная эрозия 388
----снижение 390
Коррозия 301
борьба 303
защита 388
кислотная 388
межкристаллитная 386
местная 386
общая 386
электрохимическая 387
— пассивация металла 387
Мазуты — см. Топлива тяжелые остаточные
Масла:
браковочные показатели 360
----общее щелочное число 364
----предельно допустимые 361, 362
вспениваемость 332
выбор 338
— масел зарубежных 340
----отечественных 338
вязкость 329
гидравлические 375
— вязкость 376
— рекомендуемые сорта 377
загрязнение 364
— дисперсный состав 365
испаряемость 331
качества контроль 357
----вязкость 357
----диспергирующе-стабилизирующая способ-
ность 359
----кислотно-основные свойства 357
---------кислотное число 358
---------срабатываемость присадок 357
---- механические примеси 358
----содержание воды 359
----температура вспышки 357, 364
— оценка 359
кислотное число 353
классификация 327
компрессорные 371
— для компрессоров воздушных 371
------для холодильных установок 372
— рекомендуемые сорта 374
микробиологическое заражение 355
---- признаки 356
окисление 352, 369
— в дизеле крейцкопфном 353
------ тронковом 352
очистка 364
— байпасная — см. Очистка частично-поточная
— полнопоточная 365
— средств коэффициент очистки 365
----пропускная способность 365
----тонкость отсева 365
— частично-поточная (байпасная) 365
присадок введение 327
— истощение 354
----в дизеле крейцкопфном 354
--------тронковом 354
расход 350
— дизелем крейцкопфным 351
----тронковым 351
— на слив 351
регенерация 414
свойства 328
— антикоррозионные 334
— антифрикционные 328
— деэмульгирующие 331
— изменение 352
— моюще-диспергирующие (детеpreнто-диспер-
гирующие) 333
сепарация 366
системные — см. Масла циркуляционные
содержание воды 355
— механических примесей 354
способность нагарообразующая 333
— смазывающая 330
стабильность 332
старение — см. Свойств изменение
стоимость 341
температура застывания 331
турбинные 369
— зарубежные 370
— отечественные 370
— рекомендуемые сорта 372
— эксплуатация 370
условия смазывания 330
----трение гидродинамическое жидкостное 330
------граничное 330
фильтрование 367
— фильтры 367
функции 327
цилиндровые 335, 348
— высоколегированные 335
— вязкость ЗЗэ
— толщина масляной пленки 349
циркуляционные (системные) 336
— для дизелей крейцкопфных 336
------тронковых 337
Муфты:
гидродинамическая 94, 112
жесткая механическая 111
характеристика 95, 96
Накипеобразование 390
Нефтепродукты 405
приготовление 406
присадки 406
— показатели 408
- ЧАС-9 407
Нефть 405
переработка 237
— дистилляция атмосферная 237
----вакуумная 238
----крекинг каталитический 238, 239
--------процесс 238
------термический 238
Норм карты 7
Отказы внезапные 36
— постепенные 37
Пропульсивный комплекс 19, 59
диагностирование 81
мощность 62
потери энергии 63
с ВРШ 83
----программный регулятор нагрузки 85, 87
— — с гидрозубчатой передачей мощности на
винт 94
— ВФШ, зависимость от ветроволновых нагру-
зок 74
---------волнения моря 74
---------движения на мелководье 76
---------изменения осадки и дифферента 79
---------обрастания 78
— дизелем среднеоборотным 29
схема одновальная 20
с электрической передачей мощности на винт 32
уравнения движения валопровода 63
Пуск — см. Дизель, пуск
Реверсирование — см. Дизель, реверсирование
Ремонт 5
Система охлаждения 223, 378
заполнение водой 391
кавитационная эрозия 388
контроль параметров 225
— состояния 394
коррозия 386
надежность 47
назначение 378
обработка воды химическая 391
очистка 391
присадки в охлаждающую воду 391
---------водоэмульсионные 394
---------химические 392
температурный режим 382
----температура воды 384
-------воздуха 385
-------втулки цилиндра 383
форсунок 381
централизованная 378, 379
эксплуатация 380
Система сжатого воздуха 228, 395
автоматизированная 228
дизеля Зульцер 396, 397
— МАН—Бурмейстер и Вайн 395, 396
требования 228
Система смазывания 221, 342
автоматизированная 221
гравитационная 342, 347
надежность 46
напорная 342
цилиндровая 223, 348
циркуляционная 221, 342
• — внешняя 343
— внутренняя 342, 343
— дизелей малооборотных 344
----среднеобортных 344
— контроль 346
— распределительного вала 345
— с картером мокрым 344
-------сухим 344
Система топливная 218
контроль 220
трубопровод приема и перекачивания топлива
218
— расходный 219
— сепарация топлива 218
Судно:
затраты путевые эксплуатационные 187
— - — переменные 187
-------постоянные 187
мощность заданная техническая 157
— контрактная (паспортная) 157
— эксплуатационная 159
режим работы задним ходом 54
----самый малый 57
---- моделирование 191
- - — системы контроля и оптимизации 193
--------------ЕТА-ПИЛОТ 195
--------------FURANO 193
скорость, выбор 191
— контрактная (паспортная) 157
— оптимизация 186
современное 5
Судовая энергетическая установка:
автоматизированная 203
— контроль 210
----контролируемые параметры 203, 204
----система ALS1 216
427
-------Data chief 214
-------KM-1 211, 212
-------"Шипка-М" 216
— объем 202
— средства 203
вспомогательное оборудование 32
затраты энергии 98
----полезной 99
коэффициент полезного действия 98
маневренные качества 51
многомашинная 181
— парциальные режимы 181
нормируемые показатели 157
----мощность заданная 161
------- контрактная 157
-------номинальная 161
-------расчетная полного хода 161
-------спецификационная (построечная) 161
-------экономичного хода 161
---- расход масла 163
--------- путевой 173
------- топлива 161
---------путевой 164
подготовка к действию 229, 232
-------валопровода 232
-------главного дизеля 229
-------пробный пуск 232
-------системы управления 232
режим нагружения в ледовых условиях 90
— работы базовой полного хода 177
----оптимизация 186
с прямой передачей мощности на ВФШ 10
требования 10
экономичность ПО, 113
— при различных схемах утилизации 137
эксплуатация 5
— экологические загрязнения 398
-------атмосферы 399
Телескопические устройства 47, 48
Техническое использование 5
— обслуживание 5
Топлива:
бункеровка 282
— отбор проб 285
— правила 283
взаимодействие молекул топлива 401
-------системы 402
выбор 269, 276
вязкость 241
обеспечение 324
дистиллятные 260
— газотурбинное 261
— зарубежные 266
— маловязкое 261
загустение 245
застывание 245
качество 260, 262
мазуты — см. Топлива тяжелые остаточные
микробиологическое заражение 278
---- признаки 279
несовместимость 257
обработка 280
— гидродинамическая 300, 303
— магнитная 300, 306
— на судне 306
-------дополнительная 308, 314
-------основная 306, 312
---------новая технология 312
--------------фильтр-гомогенизатор 313
-------предварительная 306
---------новая технология 309
--------------гомогенизатор 309
— химическая 300
----введение присадок 300, 304
отстаивание 285
период задержки самовоспламенения (период
индукции)254
плотность 243
подача к дизелям 322
показатели 264, 266, 272, 274
прием на судно 282
расчетный углеродно-ароматический индекс 256
свойства 239
— эксплуатационные 240
сгорание 408
сепарация 289
— гидроциклон 291
~ центрифуга 291
— центробежный сепаратор 201
-------режим кларификации 297
---------пурификации 294
совместимость 257
— проверка 259
----метод "пятна" 259
----на общее содержание осадка 259
содержание алюмосиликатов 251
— асфальтенов 249
— ванадия и натрия 248
— воды 251
— золы 247
— кокса 249
— механических примесей 250
— серы 245
соединения ароматические 240
— нафтеновые 240
— парафиновые 239
способность к самовоспламенению 254
стабильность 257
стоимость 269
судовое высоковязкое легкое 270
----сверхтяжелое 271
----тяжелое 271
— маловязкое 270
температура вспышки 244
— застывания 244
теплота сгорания 252
требования международные 241
тяжелые 260, 267
— зарубежные 268
— остаточные (мазуты) 260, 67
— промежуточные 260,267
фильтрование 298
— фильтрующие материалы 299
— фильтры 298
хранение на судне 282
цетановое число 255
Топливные смеси:
вязкость 315, 316
приготовление 315
применение ВТЭ 319
смеситель динамический 319
— статический 316
совместимость 315
стабильность 315
Утилизационный котел:
коррозия 125
пожары 153
—• борьба 154
регулирование давления пара 147
-------перепуск газов мимо котла 148
-------сброс излишков пара в конденсатор 148
------частичное отключение поверхности на-
грева 148
— расхода топлива при совместной работе с ВК 150
— уровня воды 148
Утилизация;
отходов топлив и масел 413
— — — — добавка в топливо вспомогательных
котлов 414
теплоты выпускных газов, схемы 114
---------глубокая 117
------------замещение вспомогательных дизе-
лей утилизационным турбогенератором 117
---------замещение вспомогательных котла и
ДГ 119
— — — — применение дизелей с турбокомпа-
ундными системами и ВГ 121
428
— — — — совместная работа валотурбогенера-
тора с главными дизелями на винт 120
--------- частичная 114, 115
------------замещение вспомогательного кот-
ла утилизационным 114
Фильтры:
коэффициент очистки 298
магнитный 368
объемный (глубинный) 298, 367
очистки грубой 298, 367
— тонкой 298, 367
поверхностный 298, 368
полнопоточный 367
принцип действия 298
целлюлозно-бумажный 368
частично-поточный 367
щелевой 367
Шлам 390
Шламообразование 390
Экологически опасные вещества 398
нейтрализация 411
предотвращение образования 405
----обработка топлив и масел 405
----эффективность сгорания 408
утилизация отходов топлив и масел 413
Энергия, использование:
при замещении вспомогательных дизелей 134
— применении валогенераторов 134
-------выбор мощности 136
располагаемая силовой турбины 132
Эрозия — см. Кавитационная эрозия
ОГЛАВЛЕНИЕ
Условные сокращения.................................................3
Введение............................................................5
Гл а ва 1.
Технике-эксплуатационные требования к судовым энергетическим установкам
1.1. Развитие и современное состояние судовой энергетики........8
1.2. Пропульсивный комплекс. Состав главного и вспомогательного обору-
дования .......................................................19
1.3. Эксплуатационная надежность и экономичность СДУ...........36
1.4. Обеспечение маневренных качеств СЭУ.......................51
Глава 2.
Взаимодействие элементов и эксплуатация
пропульсивного комплекса
2.1. Основные соотношения и уравнения движения системы
главный дизель—валопровод—винт-корпус..........................59
2.2. Характеристики гребного винта. Взаимодействие винта и
главных дизелей................................................65
2.3. Влияние внешних факторов на работу пропульсивного комплекса.74
2.4. Особенности работы пропульсивного комплекса с ВРШ...2.....83
2.5. Характеристики пропульсивного комплекса с гидрозубчатой передачей
мощности на гребной винт.......................................94
Глава 3.
Повышение экономичности судовых энергетических установок
3.1. Коэффициент полезного действия энергетической установки и пропуль-
сивного комплекса..............................................98
3.2. Повышение КПД пропульсивного комплекса. Согласование характерис-
тик дизелей и гребного винта ....:...........................102
3.3. Влияние главцой передачи на экономичность СЭУ.............ПО
3.4. Утилизация тепловых потерь главных и вспомогательных дизелей .... 113
3.5. Располагаемая теплота выпускных газов....................122
3.6. Определение необходимой теплоты выпускных газов. Коэффициенты за-
мещения ......................................................128
3.7. Использование энергии в установках с высокоэкономичными главными
дизелями (турбокомпаундными системами и вало генераторам и)....132
3.8. Анализ экономичности работы СДЭУ с различными схемами утилизации
и привода вспомогательных механизмов..........................137
3.9. Особенности эксплуатации утилизационных котлов...........147
Глава 4.
Нормирование показателей работы судовой
энергетической установки. Моделирование эксплуатационных режимов
4.1. Нормирование скорости судна, мощности и расхода топлива СЭУ ... 157
4.2. Моделирование эксплуатационных режимов...................164
4.3. Использование парциальных режимов в многомашинной установке.181
4.4. Оптимизация режимов работы СЭУ и судов в эксплуатации и при пла-
нировании рейсов..............................................186
430
4.5. Системы контроля и оптимизации режимов...................193
4.6. Система электронного управления рабочим процессом дизелей Ка-
терпиллар ....................................................197
Гл а ва 5.
Эксплуатация судовой энергетической установки и обслуживающих систем
5.1. Автоматический контроль, аварийно-предупредительная сигнализация и
аварийная защита СЭУ.................................... 202
5.2. Контроль параметров в обслуживающих системах.............218
5.3. Подготовка к действию СЭУ и обслуживающих систем.........229
Гл а в а 6.
Топлива. Топливоподготовка
6.1. Получение и состав топлив..................................237
6.2. Эксплуатационные свойства топлив...........................240
6.3. Виды и стоимость топлив, их использование................260
6.4. Соответствие физико-химических показателей и эксплуатационных свойств
отечественных топлив требованиям Международного стандарта.270
6.5. Выбор марки топлива..................................... 276
6.6. Микробиологическое заражение топлив......................278
Глава 7.
Топливная система
7.1. Общие сведения...........................................280
7.2. Прием и хранение топлива на судне........................282
7.3. Отстаивание топлива......................................286
7.4. Сепарация топлива....................................... 289
7.5. Фильтрование топлива.....................................298
7.6. Химическая, гидродинамическая, магнитная обработка топлива.300
7.7. Технология и средства обработки топлив на судне..........306
7.8. Приготовление и использование топливных смесей и водотопливных
эмульсий.......................................................314
7.9. Подача топлива к дизелям.................................322
Гла ва 8.
Моторные масла
8.1. Классификация и функции масел............................327
8.2. Свойства масел...........................................328
8.3. Цилиндровые масла........................................335
8.4. Циркуляционные (системные) масла.........................336
8.5. Рекомендации по выбору масел.............................338
Глава 9.
Системы смазывания, работа масел, их очистка
9.1. Системы смазывания дизелей...............................342
9.2. Расходование и изменение свойств масла в процессе эксплуатации.. 350
9.3. Микробиологическое заражение масла...............355
9.4. Контроль качества, браковочные показатели масла..........357
9.5. Очистка масла............................................364
431
Глава 10.
Масла для вспомогательных механизмов и устройств
10.1. Турбинные масла..........................................369
10.2. Компрессорные масла......................................371
10.3. Гидравлические масла.....................................375
Гл а в а 11.
Системы охлаждения и сжатого воздуха
11.1. Назначение и эксплуатация системы охлаждения.............378
11.2. Температурный режим в системе охлаждения.................382
11.3. Коррозия, кавитационная эрозия, накипе- и шламообразование в систе-
ме охлаждения.................................................386
11.4. Химическая обработка воды в системе охлаждения...........391
11.5. Система сжатого воздуха................................. 395
Гл а ва 12.
Экологические проблемы эксплуатации судовых энергетических установок
12.1. Виды и характеристики экологически опасных веществ, образующихся
при эксплуатации СЭУ..........................................398
12.2. Предотвращение образования экологически опасных веществ...405
12.3. Нейтрализация экологически опасных веществ............. 411
12.4. Утилизация отходов топлив и масел на судах без образования эколо-
гически опасных веществ.......................................413
12.5. Предотвращение вредных выбросов с выпускными газами......416
Список литературы.................................................425
Предметный указатель........................................... 426
Учебник для вузов
Камкин Сергей Васильевич, Возницкий Игорь Витальевич,
Большаков Валентин Филиппович, Большаков Александр Валентинович,
Лемещенко Александр Леонидович, Смольник Алексей Юрьевич,
Пунда Александр Семенович
ЭКСПЛУАТАЦИЯ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Технический редактор Н. И. Горбачева
Корректор-вычитчик Л. А. Гладких. Корректор В. Т. Агеева
Предметный указатель составлен И. В. Ридной
Изд. лиц. № 010163 от 04.01.92 г. Сдано в набор16.04.94
Подписано в печать 22.10.96 Формат 60 х SS1/^-
Гарнитура Таймс. Печать офсетная. Усл. печ. л. 26,46 Усл. кр.-отт. 26,46
Уч.-изд. л. 28,22 Тираж 2000 экз. Заказ 1596 С 072 Изд. № 1 -1 -1 /8№6536
Ордена "Знак Почета" издательство "ТРАНСПОРТ",
103064, Москва, Басманный туп., 6а
АООТ "Политех-4’’. 129110, Москва, ул. Б. Переяславская, 46