Судовые установки
Вопрос 1. Характеристики и режимы работы СЭУ. Объясните что такое режим и характеристика роботы двигателя, нарисуйте график изменения скоростой и нагрузочной характеристики двигателя.
Ответ
Для современных судовых двигателей характерен высокий уровень напряженности рабочего процесса. Элементы конструкции, и в первую очередь детали цилиндро-поршневой группы двигателей, испытывают действие больших тепловых и механических нагрузок. Причем разрыв между рабочими уровнями тепловой и механической напряженности двигателей на номинальном режиме и их, предельными значениями, как правило, невелик. Поэтому если режим полного хода соответствует номинальному, то резерв на возможное в эксплуатации превышение мощности или изменение технического состояния двигателя и параметров окружающей среды, которое может вызвать повышение его напряженности, оказывается также небольшим. О наличии малого резерва свидетельствуют участившиеся в последние годы случаи выхода из строя головок поршней, втулок и крышек рабочих цилиндров, появления интенсивных износов цилиндров, возникновения трещин и выкрашивания антифрикционного сплава подшипников.
Режим полного хода, как уже ранее отмечалось, не остается неизменным: нагрузка цилиндров и частота вращения вала меняются в связи с систематически изменяющимися внешними условиями плавания судна.
Увеличение сопротивления движению судна сопровождается «утяжелением» винтовой характеристики.
Таким образом, когда за режим полного хода принимается режим номинальной мощности, то тем самым создаются условия возможных перегрузок двигателя. Поэтому современная практика эксплуатации ориентируется на:
1) облегчение винтовой характеристики путем установки гребного винта, загружающего главный двигатель при номинальной частоте вращения на 85—90% МеНом',
2) ограничение нагрузок двигателя, особенно при увеличении сопротивления движению судна и снижении частоты вращения путем задания зоны рекомендуемых для длительной работы режимов с помощью ограничительных характеристик.
Ограничительная характеристика (линия /) назначается таким образом, чтобы при работе двигателя на принадлежащих ей режимах обеспечивалось сохранение его тепловой и механической напряженности на уровне, не превышающем уровень напряженности на номинальном режиме.
В эксплуатации важно следить за тем, чтобы режимы работы двигателя находились в пределах зоны, ограниченной этой характеристикой. Как исключение, допускается только кратковременная работа за ее пределами при выполнении судном маневров.
Режимы малых оборотов и нагрузок. Переход главных двигателей на режимы малых оборотов, как и переход вспомогательных на режимы малых нагрузок, связан со значительным сокращением подачи топлива в цилиндры и увеличением избытка воздуха. Одновременно снижаются параметры воздуха в конце сжатия. Особенно заметно изменение рс и Тс в двигателях с газотурбинным наддувом, так как газотурбокомпрессор на малых нагрузках практически не работает и двигатель автоматически переходит на режим работы без наддува. Малые порции сгорающего топлива и большой избыток воздуха снижают температуру в камере сгорания.
Из-за низких температур цикла процесс сгорания топлива протекает вяло, медленно, часть топлива не успевает сгореть и стекает по стенкам цилиндра в картер или уносится с отработавшими газами в выпускную систему.
Ухудшению сгорания топлива способствует также плохое смесеобразование топлива с воздухом, обусловленное снижением давления впрыска топлива при падении нагрузки и снижении частоты вращения. Неравномерный и нестабильный впрыск топлива, а также низкие температуры в цилиндрах вызывают неустойчивую работу двигателя, нередко сопровождающуюся пропусками вспышек и повышенным дымлением.
Нагарообразование протекает особенно интенсивно при использовании в двигателях тяжелых топлив. При работе на малых нагрузках из-за плохого распыливания и относительно низких температур в цилиндре капли тяжелого топлива полностью не выгорают. При нагревании капли легкие фракции постепенно испаряются и сгорают, а в ее ядре остаются исключительно тяжелые высококипящие фракции, основу которых составляют ароматические углеводороды, обладающие наиболее прочной связью между атомами. Поэтому окисление их приводит к образованию промежуточных продуктов — асфальтенов и смол, обладающих высокой липкостью и способных прочно удерживаться на металлических поверхностях.
В силу изложенных обстоятельств при длительной работе двигателей на режимах малых оборотов и нагрузок происходит интенсивное загрязнение цилиндров и особенно выпускного тракта продуктами неполного сгорания топлива и масла. Выпускные каналы крышек рабочих цилиндров и выпускные патрубки покрываются плотным слоем асфальто-смолистых веществ и кокса, нередко на 50—70% уменьшающих их проходное сечение. В выпускной трубе толщина слоя нагара достигает 10— 20мм. Эти отложения при повышении нагрузки на двигатель периодически воспламеняются, вызывая в выпускной системе пожар. Все маслянистые отложения выгорают, а образующиеся при сгорании сухие углекислые вещества выдуваются в атмосферу.
Остановка двигателя. Наряду с режимом прогрева не менее опасным является и переходный режим резкого снижения нагрузки или внезапной остановки двигателя. При резком сбросе нагрузки и особенно при остановке двигателя, до этого работавшего в режиме полного хода, в нем, как и при прогреве, появляются высокие тепловые напряжения. Причина этого заключается в неравномерном остывании деталей цилиндропоршневой группы. Максимум напряжений наблюдается в первый период после остановки двигателя, так как именно для этого периода характерна наибольшая скорость падения температуры нагретых поверхностей.
Для уменьшения напряжений, возникающих при остывании горячего двигателя, необходимо заблаговременно, до полной остановки двигателя, снижать развиваемую им мощность. Мощные малооборотные двигатели рекомендуется переводить на режим среднего, а затем малого хода, по крайней мере, за 30—60 мин до начала маневров.
Нагрузочная характеристика двигателя представляет собой графическую зависимость его основных показателей от нагрузки при постоянном скоростном режиме (п = const). Критерием нагрузки служит среднее эффективное давление ре, которое и принимается в качестве независимого переменного. При построении нагрузочной характеристики значения ре откладывают по оси абсцисс, а параметры, характеризующие работу двигателя, — по оси ординат (рис. 11).
По нагрузочной характеристике работают вспомогательные дизель-генераторы и главные двигатели, когда управление ими осуществляется всережимным регулятором числа оборотов.
Рис. 1. Нагрузочная характеристика двигателя
Внешняя и частичные характеристики. В эксплуатации судовых двигателей часты случаи, когда изменение нагрузки влечет за собой изменение числа оборотов, несмотря на неизменное положение органа управления топливными насосами. Подобным условиям отвечают внешняя или астичные характеристики, под которыми понимается графическая или аналитическая зависимость показателей двигателя от числа боротое при строго фиксированном положении органа управления опливными насосами ТР=const, что обеспечивает сохранение не-13менной величины активного хода плунжера ha=const.
Внешняя номинальная характеристика — кривая TРном=const (рис. 12) — характеристика, соответствуящая работе двигателя в условиях изменяющихся нагрузки и частоты вращения при активном ходе плунжера ha H0M или соответствующем ему положении топливной рейки ТРН0М, обеспечивающем номинальные значения мощности и среднего эффективного давления при номинальном скоростном режиме nном
Рис. 2. Внешние и частичные характеристики
Вопрос 2. Судовые комбинированные энергетические установки, перечислите какие КЭУ применяются на судах. Дать определение КЭУ: с термодинамической связью двигателей и без связи; начертите схему КЭУ т/х «Капитан Смирнов», описать ее работу.
Ответ
Судовые газотурбинные установки с теплоутилизирующим контуром (ТУК) ГТУ М-25 мощностью 25 000 кВт эксплуатируются на судах типа «Капитан Смирнов».
Головной газотурбоход «Капитан Смирнов» — ролкер водоизмещением 35 000 т. Он предназначен для перевозки пакетированных грузов и контейнеров, имеет две ГТУ суммарной мощностью 36 800 кВт. Скорость судна 27 уз. На газотурбоходе высок уровень автоматизации. В машинном отделении нет постоянной вахты. Контролирует работу оборудования с центрального поста управления энергетической установкой один механик. Главным двигателем управляет с мостика вахтенный штурман. Оттуда же осуществляется управление мощными подруливающими устройствами, расположенными в носу и корме. Благодаря им при швартовных операциях можно обходиться без помощи портовых буксиров.
Установка ГТУ М-25 состоит из газотурбинного двигателя, редуктора и теплоутилизирующего контура, который в свою очередь включает в себя паровой котел с сепаратором пара я арматурой дистанционного управления, паровую турбину с конденсатором и вспомогательное оборудование.
Тепловая схема ГТУ дана на рис. 3. Атмосферный воздух засасывается КНД 6 и последовательно сжимается в КНД и КВД 5. Затем в камере сгорания 4 при постоянном давлении происходит сжигание топлива, и образовавшийся при этом газ расширяется последовательно в ТВД 3, ТНД 2 и турбине винта (ТВ) 1. Отсюда газ поступает утилизационный котел 7, где отдает теплоту питательной воде. Пар из котла направляется в силовую паровую турбину 21, совместно с ТВ вращающую через упругие муфты и редуктор 24 гребной винт. Вся мощность ТВД и ТНД полностью потребляется соответственно КВД и КНД.
Утилизационный котел (расположен над газоотводом ГТД) — водотрубный с многократной принудительной циркуляцией, в сечении имеет прямоугольную форму. Котел состоит из экономайзера, испарителя и пароперегревателя, между которыми предусмотрены пазухи для размещения опорных балок крепления трубных пакетов, осмотра и ремонта поверхности горения. Котел включает в себя также сепаратор пара, служащий для отделения пара от пароводяной смеси, поступающей из испарителя котла.
Рис. 3. Тепловая схема ГТУ с ТУК газотурбохода «Капитан Смирнов» (одного борта)
Паровая турбина состоит из регулировочной ступени в виде двухвенечного колеса и семи ступеней давления. Ее сварнолитой корпус изготавливается с корпусами (стульями) подшипников. На верхней крышке крепится паровпускной быстрозапорный клапан, а на выпускном патрубке — дроссельно-увлажнительная установка.
Ротор паровой турбины составной — с насадными дисками. Упорный гребень выполнен заодно с валом. Турбина имеет два опорных и один упорный подшипники. Опорные подшипники имеют стальные вкладыши, залитые баббитом. Упорный подшипник двусторонний с самоустанавливающими упорными сегментами.
