Что такое вспомогательный двигатель на судне
Что такое вспомогательный двигатель на судне
§ 46. Двигатели внутреннего сгорания на судне
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются поршневыми тепловыми двигателями, в которых топливо сгорает непосредственно внутри рабочего цилиндра. Образующаяся при сгорании смесь газов, расширяясь, перемещает поршень, совершающий механическую работу – вращение вала.
В качестве судовых ДВС в большинстве случаев применяются только дизели. Дизелями называются такие ДВС, в которых топливо, вводимое в цилиндр, в конце сжатия в нем поршнем свежего воздуха самовоспламеняется под действием температуры, поднявшейся вследствие образовавшегося в цилиндре высокого давления.
Двигатели, работающие на бензине с внешним смесеобразованием (карбюраторные двигатели) и с искусственным зажиганием топлива от электрической искры, устанавливают преимущественно на легких судах и быстроходных катерах.
Двигатели, в которых свежий воздух поступает в цилиндры под давлением выше атмосферного, называются двигателями с наддувом . Большинство ДВС средней и большой мощности бывают двигателями с наддувом.
Как известно, двигатели делятся на четырёхтактные , в которых рабочий цикл совершается за четыре хода поршня, и двухтактные , в которых рабочий цикл совершается за два хода поршня.
В соответствии с количеством оборотов коленчатого вала различают двигатели тихоходные и быстроходные . Дизели, совершающие 100-200 об/мин, называются малооборотными.
Двигатели внутреннего сгорания разделяются на реверсивные – те, которые могут менять направление вращения, и на нереверсивные . Судовые двигатели в большинстве случаев являются реверсивными. Нереверсивные двигатели устанавливают для привода электрических генераторов.
Рис. 73. Схема устройства для работы дизеля подводной лодки на перископной глубине. 1 – воздушная шахта; 2 – обтекатель; 3 – головка с клапаном; 4 – шаровой поплавок, управляющий клапаном; 5 – козырек выхлопной шахты; 6 – выхлопная шахта; 7 – клапан; 8 – рычаг.
При работе нереверсивных двигателей на винт их снабжают реверсивными муфтами или реверс-редукторами, обеспечивающими изменение вращения винта без остановки двигателя или перемены направления вращения коленчатого вала. Нереверсивные двигатели могут быть применены при использовании винтов регулируемого шага (ВРШ).
Обычно судовые дизели средней и большой мощности делаются реверсивными с особым устройством, обеспечивающим перемену направления вращения коленчатого вала.
В качестве топлива для судовых дизелей используют тяжелые сорта жидкого топлива – дизельное и моторное.
Эффективный к. п. д. современных малооборотных дизелей достигает 42%, быстроходных- 37%. Наибольший эффективный к. п. д. и наименьший удельный расход топлива-у двигателей большой мощности. В опытных образцах двигателей с высоким наддувом эффективный к. п. д. достигает 45%.
Пуск в ход дизелей осуществляется сжатым воздухом, подаваемым из специальных пусковых баллонов под давлением 25- 30 атм, содержащих запас воздуха не менее чем на 6 пусков. На судах применяют как четырехтактные, так и двухтактные двигатели. Наибольшая мощность четырехтактных двигателей обычно не превышает 1500 э. л. с, поэтому в большинстве случаев на судах они применяются как вспомогательные и лишь в установках малой мощности – в качестве главных двигателей. В качестве же главных двигателей средней и большой мощности применяют двухтактные двигатели. На современных морских теплоходах ставят мощные малооборотные двигатели с непосредственной перодачей вращения на гребной вал.
«Единый двигатель» представляет собой энергетическую установку, обеспечивающую работу обычного дизеля подводной лодки в подводном положении по замкнутому циклу. Эта установка работает на окислителе, которым служит газообразный или жидкий кислород, содержащейся в баллонах. Выхлопные газы дизеля, очищенные и обогащенные кислородом, снова подаются во всасывающий коллектор, а избыточное количество газов отводится за борт.
На опытной немецкой подводной лодке среднего водоизмещения, построенной в период второй мировой войны, была предусмотрена установка, работающая по замкнутому циклу, мощностью всего лишь 1500 л. с. Суммарный удельный расход топлива и кислорода при работе этой установки был очень велик. Поэтому основными недостатками подводных лодок с-«единым двигателем» является малая дальность плавания, зависящая от запасов кислорода, а также повышенная взрыво- и пожароопасность в помещениях лодки.
Работа дизеля под водой (РДП) обеспечивается устройством, выдвигающимся на поверхность воды при плавании подводной лодки на перископной глубине и подающим наружный воздух. Впервые это устройство было применено в 1944 г. на немецких подводных лодках и получило название «шноркеля».
Принципиальная схема такого устройства показана на рис. 73.
Система запуска судового двигателя. Выхлопные газы.
Система запуска судового двигателя. Выхлопные газы.
Система запуска судового двигателя
Для того чтобы запустить двигатель внутреннего сгорания, как известно, его надо несколько раз провернуть, чтобы цилиндры заполнились рабочей смесью, она сжалась и воспламенилась, толкая поршни. Рукоятка, которой заводились старые советские автомобили, для двигателя размеров с дом не подойдёт, нужно что-то помощнее. На судах для этого традиционно используется сжатый воздух, хранящийся в баллонах под давлением 30 бар.
При этом главные двигатели малой мощности или вспомогательные двигатели могут заводиться с помощью электрических или пневматических стартовых моторов, работающих от аккумуляторов или сжатого воздуха. Для этого должна быть предусмотрена система зарядки аккумуляторных батарей, или компрессор для закачки воздуха в баллоны при работающем двигателе. Такой стартовый мотор прокручивает двигатель за зубчатый маховик, пока он не заведётся.
Когда двигатель заводится от сжатого воздуха, он подаётся в цилиндры через работающий от распредвала отдельный распределитель с клапанами, в том же порядке, как и при работе двигателя. Когда двигатель проворачивается, впрыскивается топливо и подача воздуха прекращается.
Для старта обычно достаточно 10 бар. Тем не менее, в баллонах обязательно должно быть давление в 30 бар, чтобы при необходимости завести мотор несколько раз.
Выхлопные газы
По составу выхлопные газы – это очень горячая смесь углекислого газа, водяного пара, несгоревшего топлива и смазки, оксида азота (продукт окисления атмосферного азота), диоксида серы (образуется при сгорании содержащейся в топливе серы) и углерода в виде сажи. Оксид серы реагирует с водой, образую серную кислоту, которая разъедает сталь выхлопных труб судна. Настройкой рабочего цикла двигателя получается в определенных пределах уменьшить количество вредных для экологии оксидов азота и серы.
В некоторых морских районах действует ограничение на использование судами тяжелого топлива с высоким содержанием серы (1.5% вместо обычных 3.5%), чтобы уменьшить выбросы оксида серы в атмосферу. Судно бывает вынуждено перейти на более «чистое» дизельное топливо. Также существуют системы фильтров, уменьшающих выброс оксидов азота, но они достаточно дороги.
Тепло от выхлопных газов можно утилизировать, например, для подогрева топлива, нагрева воды или отопления помещений судна. Иначе оно будет буквально выброшено на воздух. Эту функцию выполняют специальные теплообменники на выхлопных трубах, называемые экономайзерами.
Выхлопные газы могут нагревать специальное масло-теплоноситель, или производить водяной пар для судовых нужд, обычно для разогрева тяжелого топлива.
Несмотря на наличие таких «бесплатных» источников тепла, на корабле всё равно должны быть независимые от работы главного двигателя нагреватели, обеспечивающие отопление и другие нужды судна при стоянке в порту, или когда главный двигатель не работает на полную мощность.
Воздух для горения топлива на судне
Для сгорания топлива в цилиндрах необходим воздух. Он поступает из машинного отделения, при этом туда при помощи вентиляторов подаётся наружный свежий воздух, охлаждая помещение. Но всё равно там очень жарко. Поэтому во флоте ценятся русские мотористы и механики, закалённые паровой русской баней.
В цилиндры воздух подаётся с некоторым избытком, чтобы улучшить процесс горения и снизить температуру выхлопных газов.
Подача воздуха для горения под давлением может резко поднять мощность двигателя, поэтому часто используется турбина с теплообменником. В ней кинетическая энергия выхлопных газов используется для предварительного сжатия воздуха, который после охлаждения поступает в цилиндры.
Вот так воздух в разных видах используется в судовых энергетических установках.
Судовая рулевая машина
К важнейшим вспомогательным механизмам любого судна относится рулевая машина, входящая в комплекс узлов, механизмов и агрегатов, составляющих рулевое устройство катера или корабля.
Судовая рулевая машина выполняет функцию обеспечения управляемости корабля, придерживание судном заданного курса, эффективное маневрирование.
Назначение и принцип работы рулевых судовых машин
В состав корабельного рулевого устройства входят:
Руль (перо руля, штурвал или направляющая поворотная насадка руля), представляющий собой сам рабочий орган, к которому прилагается воздействие управляющего.
Баллер – элемент, служащий для соединения руля с рулевым приводом.
Рулевой привод – механизм для передачи усилия от рулевой машины к рулю.
Судовая рулевая машина – механизм, обеспечивающий усилие, необходимое для поворота баллера, а затем и руля на заданный угол для удержания требуемого курса или совершения маневра.
Привод – узел, связывающий пост управления с рулевой машиной посредством гидравлической или механической передачи.
Двигатель рулевого привода – может быть паровым (на современных судах не устанавливается) и электрическим.
Современные судовые рулевые машины имеют привод от электродвигателя. Различия заключаются в типе передачи.
При механической передаче усилия от электродвигателя к рулевой машине такой тип машин называют электрическими. Гидравлическая передача свойственна гидравлическим машинам рулевым.
Рулевые машины судовые – основные предъявляемые требования
Исходя из назначения и места установки видно, что рулевые машины судовые выступают ключевыми, важными и ответственными элементами рулевого устройства корабля, потому к ним предъявляются строгие требования относительно обеспечения:
надежности работы и живучести с учетом сложных условий эксплуатации судна (влага, температурные колебания, динамические нагрузки и пр.);
безопасности управления для человека;
установку и поддержание задаваемого оператором угла и скорости перекладки руля при движении корабля в диапазоне максимальных развиваемых скоростей (в связи с этим устройство комплектуется специальными тормозами);
максимальной компактности габаритов и небольшой массы;
возможности удаленного управления, например, из разных мест и быстрого эффективного перехода между основной и вспомогательными рулевыми точками.
Преимущества и особенности рулевых судовых машин
Гидравлические рулевые машины судовые находят применение на новых судах, так как способны обеспечить более высокие крутящие моменты, плавное изменение скорости, бесшумность, защиту от перегрузок. Также они отличаются компактностью, небольшой массой и высоким КПД.
Электрические (электромеханические) варианты считаются устаревшими, маломощными, с невысоким КПД, однако ими все еще могут комплектоваться небольшие речные и смешанного плавания суда. Такие машины более дешевы, но более капризны.
Что такое вспомогательный двигатель на судне
К категории малооборотных двигателей относятся дизели с частотой вращения от 55 до 150 об/мин. Мощные малооборотные главные двигатели с непосредственной передачей вращения на винт работают исключительно по двухтактному циклу и имеют крейцкопфную конструкцию, которая обеспечивает возможность полностью изолировать полости цилиндров и картера. Они наиболее нечувствительны к качеству используемого топлива и позволяют сжигать самые низкосортные из них с высокой термической эффективностью. Невысокая скорость поршня и малое количество движущихся частей обеспечивают высокую экономичность этих машин по расходу смазочных материалов, низкие значения скорости износа и исключительную долговечность. Хотя такие двигатели производят немногие фирмы-изготовители, они доминируют на рынке, особенно для крупнотоннажных океанских судов.
Для удовлетворения спроса на разнообразные мощности имеется широкий выбор однотипных двигателей, отличающихся по размерам и числу цилиндров. В дополнение к стандартным моделям производятся их модификации с удлиненным ходом поршня (отношение хода поршня к диаметру цилиндра — до 3,8) и пониженной скоростью вращения — до 55 об/мин. Это позволяет использовать малооборотные гребные винты большого диаметра с высоким пропульсивным КПД. Короткоходные модификации предлагаются для судов с ограниченной осадкой, для которых характерны небольшие габариты винтов и малая высота машинного отделения. Однако многие узлы и детали базовой модели используются во всех ее модификациях.
Ниже рассматриваются современные модели двухтактных малооборотных дизелей, а также некоторые устаревшие модели, которые еще находятся в эксплуатации и обладают рядом особенностей, полезных при изучении ДВС.
Sulzer RTA
Двигатели марки Suzler RTA представляют целое семейство машин, отличающихся размерами цилиндров. Различные его модификации отличаются длиной хода поршня — от супердлинноходных до самых короткоходных. Отличия могут быть также в системах охлаждения и пуска двигателей этой серии.
Рассмотрим модель RTA 58-84. Двигатель работает по прямоточной схеме продувки с выхлопным клапаном и продувочными окнами, что обеспечивает его высокую эффективность при сжигании тяжелых топлив. Неохлаждаемый турбонагнетатель работает от системы выхлопа постоянного давления, а на малых оборотах двигателя продувочный воздух подается отдельным компрессором с электроприводом. Каналы системы охлаждения просверлены во всех деталях, соприкасающихся с камерой сгорания, включая поршни, втулки и крышки цилиндров, седла выпускных клапанов. Все эти детали охлаждаются водой; охлаждающая вода к поршню подводится по телескопическому устройству, полностью отделенному от картера для предотвращения попадения воды в систему смазки.
На цельнокованной крышке цилиндра, симметрично относительно центрального выпускного клапана, расположены три неохлаждаемые форсунки, топливо к которым подается от насоса высокого давления клапанного типа через распределительный блок. Неиспользованное горячее топливо, после отсечки впрыска, возвращается в циркуляционную систему через корпус форсунки, обеспечивая частично эффект охлаждения. Для управления качеством процесса сгорания топлива применена система регулирования началом подачи. Выпускные клапана выполнены из жаропрочного сплава, имеют гидравлический привод с воздушными пружинами (пневмоаккумуляторами). Привод распределительного вала — шестеренчатый. Реверсирование двигателя осуществляется при помощи сервомоторов, которые производят переустановку на передний или задний ход кулачных шайб каждого топливного насоса и распределителя пускового воздуха.
Лубрикаторы цилиндров снабжены аккумуляторами давления для распределения масла по смазочным точкам. Регулирование насосов осуществляется в соответствии с нагрузкой двигателя.
Глубокий картер коробчатого типа служит для размещения довольно длинных кривошипов без нежелательного увеличения габаритной ширины двигателя. Чтобы приблизить предварительно напряженные анкерные связи к оси коленчатого вала, крышки рамовых подшипников прижимаются к гнезду упорными болтами.
Двигатель RTA 84M имеет много общего с предыдущей моделью. Она характеризуется повышенным отношением хода поршня к диаметру цилиндра и уменьшенным числом оборотов. Поршни двигателя охлаждаются маслом, что позволяет исключить ненадежные трубки и сальники телескопического устройства. Изменена конструкция рамовых подшипников; на крейцкопфных подшипниках применены безвильчатые шатуны с баббитовой заливкой нижних опорных поверхностей.
MAN-B&W MC
Рассмотрим двигатель MAN-B&W MC. Имеется большое количество различных типоразмеров, включая модели с очень большой длиной хода поршня, а также короткоходные модификации. Все модели допускают использование низкосортных топлив с высокой эффективностью и очень малой степенью износа.
Как и предыдущие модели, этот двигатель работает по прямоточно-клапанной схеме продувки, что упрощает конструкцию втулок и продувочных окон. Выхлопные клапана работают от гидропривода, гидроцилиндры толкателей приводятся в действие от кулачных шайб распределительного вала. На каждом цилиндре установлены три или четыре неохлаждаемые форсунки, которые питаются от единой замкнутой топливной системы с подогревом для эффективного сжигания тяжелых топлив. Вся система обеспечивает эффективное газораспределение с управлением от главного регулятора, который может быть настроен в зависимости от качества топлива.
Привод распределительного вала осуществляется двумя роликовыми цепями, что улучшает весо-габаритные характеристики передачи и позволяет располагать распределительный вал достаточно высоко, чтобы уменьшить длину трубок гидропривода и минимизировать вредное влияние эластичности этих трубок. Реверс производится смещением толкателей топливных насосов.
Втулки и крышки цилиндров охлаждаются водой по внутренним каналам и сверлениям, а охлаждение поршней – масляное, что упрощает конструкцию системы охлаждения и снижает риск попадания воды в картер. Количество поршневых колец ограничено четырьмя.
Неохлаждаемые турбо-нагнетатели работают от системы выхлопа постоянного давления и дублируются автономными компрессорами с электроприводом, которые используются на малых оборотах. Фундаментная рама двигателя жесткой конструкции, со стальными литыми поперечинами. Рамовые подшипники располагаются как можно ниже для уменьшения габаритной ширины при достаточно длинном ходе поршня. Крейцкопфное устройство выполнено с одним сплошным опорным подшипником, с использованием тонкостенных вкладышей. Коленчатый вал выполняется либо с полусоставными кривошипами, либо сварным, что дает соответственное уменьшение веса.
MAN-B&W KEF
Двигатель MAN-B&W KEF – является головным в целой серии последующих моделей. Ему характерны многие особенности современных двигателей, в частности использование прямоточной схемы продувки с тарельчатыми выпускными клапанами. Клапана снабжены толкателями с коромыслами, что позволяет регулировать требуемый зазор тарелки, а также использовать стальные спиральные клапанные пружины. Двигатель имеет турбонагнетатели импульсной системы, к каждому из которых присоединены группы выхлопов из трех или четырех цилиндров. При использовании тяжелых топлив требуется отдельная система охлаждения форсунок.
Реверс обеспечивается проворачиванием распределительного вала относительно коленвала при помощи сервомотора, для изменения фаз газораспределения топливных насосов ВД и выпускных клапанов. Двигатель отличается исключительной простотой в обслуживании.
Sulzer RND
Двигатель Sulzer RND. Втулки цилиндров, особенно ранних моделей, которые до сих пор находятся в эксплуатации, имеют выпускные окна, что исключает необходимость в выпускных клапанах, однако позволяет применять только петлевую или поперечную схему продувки. В данном двигателе использована поперечно-петлевая система. Имеется система турбонаддува постоянного давления, а также устройство, позволяющее утилизировать сжатие воздуха в подпоршневом пространстве. Для обеспечения работы этого устройства поршень снабжен удлиненным тронком.
Цилиндровые крышки собраны из двух концентрических частей и имеют по одной центрально-расположенной форсунке, охлаждаемой водой. Для реверса имеется сервомотор, который проворачивает распределительный вал для переустановки моментов газораспределения топливных насосов и клапанов пускового воздуха.
DOXFORD J
Двигатель Doxford J – это одна из последних моделей двигателей с противоположно-движущимися поршнями, выпускавшихся фирмой ДОКСФОРД. Многие из них еще находятся в эксплуатации.
Этот двигатель относится к классу двухтактных дизелей простого действия с противоположно движущимися поршнями, расположенными попарно в каждом цилиндре. Нижний поршень охлаждается маслом и присоединен к коленчатому валу обычным способом, через крейцкопфное устройство. Он открывает и перекрывает продувочные окна втулки цилиндра. Верхний поршень снабжен системой водяного охлаждения и присоединен к коленвалу при помощи боковых штоков с отдельными крейцкопфами и шатунами. Он управляет открытием и закрытием выпускных окон, расположенных в верхней части втулки, осуществляя таким образом прямоточную продувку без применения выпускных клапанов.
Необходимость в трех мотылевых подшипниках на каждый цилиндр значительно увеличивает продольный габарит и усложняет конструкцию коленчатого вала, а также увеличивает объем и проблемы технического обслуживания для машинной команды. Однако, уравновешенная конструкция с противоположно движущимися поршнями не требует применения анкерных связей, что упрощает и облегчает конструкцию остова.
Отдельная система газораспределения отсутствует, так как все фазы рабочего цикла определяются движением поршней и системой топливоподачи. В средней части втулки, между внутренними предельными положениями обоих поршней расположены две топливные форсунки. Топливо подается по системе аккумулирующего типа, с приводом топливных насосов и распределительных клапанов впрыска топлива непосредственно от коленчатого вала. Кулачные шайбы симметричны, поэтому для реверса необходима переустановка только клапанов пускового воздуха. Продувка осуществляется системой турбонаддува импульсного типа.
Источник: Судовые ДВС. Пособие для подготовки вахтенных механиков. Составитель к.т.н., доцент С.К. Чернышев.
