Эксплуатация современных судовых дизельных установок

Геннадий Вениаминович Гоголев

Эксплуатация современных судовых дизельных установок

Рецензенты:

В. М. Величко – механик I разряда ДВС, суперинтендант компании Primerose Shipping Co.Ltd.

Е. А. Трофимов – механик I разряда ДВС.

В книге изложены особенности эксплуатации современных судовых дизельных энергетических установок. Рассмотрены характеристики пропульсивного комплекса, конструкция и эксплуатация ВРШ, области допустимых эксплуатационных режимов главных двигателей, особенности их технического использования в особых условиях, эксплуатация современных двигателей с электронным управлением,

Описаны современные технические средства и системы наддува для эффективной эксплуатации ГД на малых и экономичных ходах, влияние внешних и эксплуатационных условий, особенности технического использования ГД, в том числе и в особых условиях.

Даны сведения о современных валогенераторных установках малооборотных ГД типа PTO/RCF и PTO/CFE, позволяющих обеспечивать электроснабжение судна на режимах частичных нагрузок, об особенностях использования в судовых дизельных установках низкосернистых топлив типа ULSFO (0,10 % S), VLSFO (0,50 % S).

Подробно рассмотрены системы автоматического управления современными ГД (WECS-9520, Norcontrol AutoСhief III, UNIC) и пропульсивным комплексом (AutoChief C20, AutoChief® 600, DENIS-9520, BERG Propulsion), описано оборудование, типовые неисправности, методы контроля технического состояния и диагностирования элементов судовых дизельных установок.

Рассмотрены конструкции современных гидропневматических электронных регуляторов частоты вращения дизелей, методы их настройки, типовые неисправности. Обобщен зарубежный опыт по созданию, компановке и эксплуатации автоматических систем управления пропульсивным комплексом.

Предназначено для специалистов, эксплуатирующих судовые дизельные установки, а также полезна учащимся морских учебных заведений.

Предисловие

Дизельные энергетические установки, отличающиеся высокой экономичностью, надежностью и управляемостью, наиболее широко используются в современных судовых пропульсивных комплексах (ПК).

СДЭУ эксплуатируются при различных внешних, эксплуатационных условиях в широком диапазоне режимных параметров. Эффективная и безопасная эксплуатация обеспечивается во многом за счет технически грамотного обслуживания оборудования СДЭУ, что позволяет избежать необоснованную работу судового энергетического оборудования при чрезмерных механических и тепловых нагрузках.

Конфигурации допустимых областей эксплуатационных режимов современных двигателей, работающих на винты как фиксированного, так и регулируемого шагов, с валогенератором (ВГ) и без него, достаточно разнообразны.

Современные валогенераторные установки малооборотных ГД позволяют обеспечивать электроснабжение судна и на основных эксплуатационных, и на режимах частичных нагрузок. Используются ВГ с постоянным передаточным числом (PTO/GCR), с постоянной частотой вращения (PTO/RCF), с постоянной электрической частотой (PTO/CFE).

Современные технические средства и системы наддува, позволяют безопасно и достаточно эффективно эксплуатировать ГД на малых и экономичных ходах за счет байпасирования ГТН (Exhaust Gas Bypass, сокращенно EGB), регулируемого поворотного соплового аппарата турбины, сокращенно VTA; отключения ГТН (TC Cut-Out System).

Эксплуатация ГД при пуске, разгоне, реверсировании, на аварийных режимах, а также в ледовых, штормовых и других особых условиях имеет свои особенности и требует особого внимания. Безопасная эксплуатация во время шторма предотвращает аварии и крушения судов, которые, к сожалению, еще происходят. Сравнительно недавние крушения таких судов как лайнер «Эстония», танкеры «Эрика», «Престиж», контейнеровоз «Мол Комфорт», а также произошедшие уже в двадцатые годы потери танкера «Китус», грузовых судов «Unit K» и «Хейва Мару», судна ро-ро «Daha», рыболовецкого судна «Восток», сухогруза «Luno» и др. С ноября 2020 года в штормовых условиях произошло 6 инцидентов с потерей груза. Ежегодно в море теряется порядка 1,5 тысяч контейнеров.

Изложены сведения о современных измерительных приборах, комплексах и методах диагностики. Характерный вид индикаторных диаграмм при различных неисправностях позволяет быстро идентифицировать последние. Использование современных высокотехнологичных конструкций и систем управления ВРШ обеспечивают необходимую повышенную надежность и безопасность мореплавания.

Реализация тех или иных режимов работы связана с техническим использованием дистанционных автоматических систем управления. Установившиеся, а тем более неустановившиеся режимы работы СДУ, обеспечиваются автоматизированными системами управления главным двигателем и движением судна, знания о структуре, составе, регулировочных настройках и возможных неисправностях которых необходимы для успешной безаварийной эксплуатации судовых ДЭУ.

Актуальной проблемой остается получение более полных знаний по особенностям работы и надежной эксплуатации дизельных двигателей и систем автоматического управления современными пропульсивными установками. Достаточно подробное рассмотрение вопросов, касающихся конструкции, обслуживания, настройки, поиска неисправностей как новых, так и уже не новых систем регулирования частоты вращения дизелей будет полезно эксплуатирующим их специалистам.

Особое внимание уделено современным высокотехнологичным двигателям с электронным управлением Wärtsilä типа Sulzer RT-flex с системой управления WECS-9520 и двигателям международной компании «MAN Diesel & Turbo» типов ME, ME-C, ME-B, CR. Изложены сведения по системам управления движением AutoChief C20, AutoChief® 600, DENIS-9520, Alphatronic 2000.

Актуальной проблемой в настоящих экономических условиях (необходимость более широкого освоения северного морского пути) является обеспечение успешной и безопасной эксплуатации современных высокоэкономичных ГД в условиях ледового плавания (работа с “облегченым” винтом, арктический перепуск наддувочного воздуха, подогрев охлаждающей воды, рекомендации по пуску и нагружению, расчет времени предварительного подогрева).

Актуальным и необходимым является рассмотрение свойств и особенностей применения низкосернистых топлив ULSFO (0,10 % S), VLSFO (0,50 % S), процедуры проверки их совместимости, обеспечения смазывающей способности и вопросы подготовки и модернизации топливных систем.

Подробное рассмотрение принципов действия, функций, конструктивных особенностей различных гидравлических и электронных регуляторов частоты вращения, методов их настройки и типовых неисправностей способствует их более эффективному использованию.

Рассмотрено влияние гидрометеорологических условий плавания и методы приведения мощности и расхода топлива к стандартным условиям согласно

ГОСТ Р 52517–2005 (ИСО 3046–1:2002).

Автор настоящей книги доцент, к.т.н., имеющий опыт работы на различных судах и длительный опыт преподавательской работы в морских высших учебных заведениях, при написании книги использовал значительное количество технической литературы и документации, прибегал к консультациям специалистов, непосредственно занимающихся эксплуатацией современных диэельных установок. Автор выражает особую благодарность суперинтендантам Величко В. М. (компания Primerose Shipping Co.Ltd.), Оверко В. С., Тимченко Р. И. (компания Laskaridis Shipping Co.Ltd.), старшему механику Трофимову Е. А., капитану дальнего плавания Величко А. В. и инженеру Слободянюку В. Л. за оказанную помощь, высказанные рекомендации и замечания.

В условиях непрерывного сокращения объема часов, выделяемых на изучение ключевых дисциплин, необходимых для успешного проектирования и эксплуатации судовых энергоустановок, как, впрочем, и других технических объектов, необходимо наличие доступной, современной технической литературы (как в печатной, так и электронной форме), описывающей особенности эксплуатации как широко известного, так и нового оборудования.

Технологическое отставание в двигателестроении можно ликвидировать на основе развития собственных разработок и тщательного изучения и анализа зарубежного опыта и достижений. Подробная информация по современным зарубежным разработкам будет полезна инженерам создателям отечественной техники.

В монографии не рассматриваются типовые отказы и вопросы эксплуатации систем СДУ, так как они достаточно изложены в предыдущей книге [9] и другой известной литературе.

Китайское “экономическое чудо” основано на творческой переработке передового опыта, технологий, создании собственного интеллектуального потенциала нации за счет действительно эффективной системы образования на всех уровнях. Те, кто были в Китае, наверное, обратили внимание на отсутствие детей на улицах. Они с утра до 8 часов вечера в школах. В результате мы с удивлением наблюдаем непривычно трудолюбивых, упорных китайских студентов и специалистов, которые, кстати, в отличие от многих других уверены, что у них будет работа по специальности.

Повсеместное увлечение наспех организованными дистанционными методами обучения с сокращенным объемом, с целью экономии средств и затрат на образование, не заменят работу с опытными преподавателями и современной учебной технической литературой, которой очень мало.

Целью изложенных материалов и рекомендаций, является прежде всего помощь судовым механикам и выпускникам морских учебных заведений. В издании рассмотрен ряд специальных, достаточно узких вопросов, связанных с эксплуа – тацией и дистанционным автоматическим управлением судовых дизельных энергоустановок в обычных и особых условиях. Книга полезна учащимся морских учебных заведений для приобретения современных профессиональных знаний.

Список сокращений

АЭРН – автоматический электронный регулятор нагрузки;

АПС – аварийно-предупредительная сигнализация;

ВГ – валогенератор;

ВДГ – вспомогательный дизель-генератор;

ВМТ – верхняя мертвая точка;

ВН вспомогательный нагнетатель

ВПУ – валоповоротное устройство;

ВРК – винторулевая колонка

ВРЧВ – всережимный регулятор частоты вращения

ВРШ – винт регулируемого шага;

ВФШ – винт фиксированного шага

ГОС – гибкая обратная связь шага;

ГД – главный двигатель;

ГТК – Газотурбокомпрессор

ДАУ – дистанционное автоматическое управление;

ECS – системауправления двигателем;

ЖОС – жесткая обратная связь;

МИШ – механизм изменения шага;

МО – машинное отделение

ПК – пропульсивный комплекс

ПКВ – угол поворота коленчатого вала;

ПТЭ – правила технической эксплуатации;

РПУ – реверсивно-пусковое устройство;

САУ – системами автоматического управления

СДЭУ – судовая энергетическая установка;

СОД – среднеоборотный дизель;

СТС – судовое техническое средство;

МОД – малооборотный двигатель;

ТИ – техническое использование;

ТИ – техническое использование;

ТНВД – топливный насос высокого давления;

ТО – техническое обслуживание

ЦПУ – центральный пост управления;

ЧЭ – чувствительный элемент

Раздел 1. Пропульсивный комплекс сдэу и его эксплуатация

1.1. Состав и типы судовых дизельных энергетических установок

В состав СЭУ входят главная энергетическая установка (ГЭУ) и вспомогательные установки. Главная (пропульсивная) энергетическая установка (пропульсивный комплекс) обеспечивает движение судна. Главные энергетические установки дизельных судов классифицируются по следующим признакам [1]:

– по типу главных двигателей (МОД, СОД, ВОД и комбинированные (чаще всего это дизель-газотурбинные установки).

– по типу передачи мощности на движитель (прямая непосредственная передача на ГВ, механическая, электрическая, гидравлическая и комбинированные передачи).

– по типу движителя (гребные винты фиксированного шага, гребные винты регулируемого шага, соосные винты противоположного вращения, винторулевые колонки с механической и электрической передачей мощности на винт, крыльчатые и водометные движители).

– по способу обеспечения реверса (с реверсивным ГД, с нереверсивным ГД и реверсивной муфтой, с нереверсивным ГД и ВРШ, с винторулевыми колонками.

По степени автоматизации, способу управления и обслуживания СДЭУ бывают:

1. Неавтоматизированные и частично автоматизированные с местным постом управления и постоянной вахтой в МО.

2. Автоматизированные СДЭУ с ДАУ без постоянного присутствия обслуживающего персонала в МО. Несение вахты осуществляется одним механиком в ЦПУ (степень автоматизации А2, А3).

3. Автоматизированные СДЭУ с ДАУ без постоянного присутствия обслуживающего персонала в МО и ЦПУ (степень автоматизации А1).

ДЭУ с прямой передачей на мощности на винт (ВФШ) являются наиболее распространенными. ГД при этом может быть соединен с гребным валом через жесткую фланцевую муфту, через разобщительную муфту, через реверсивную муфту или через ВРШ (с валогенератором и без него).

Установки с ВФШ обеспечивают достаточно высокие значения пропульсивного КПД, надежны и устойчивы в работе. Они применяются на крупнотоннажных судах Двухвальные СДЭУ применяются на паромах, буксирах. пассажирских и речных судах. Трехвальные установки примененияются редко.

Широко применяются дизель-редукторные установки (ДРУ). Существуют схемы ДРУ с отбором мощности и с различными исполнениями редукторных передач [1,2].

На судах относительно небольшой мощности специального назначения находят широкое применение винторулевые колонки (ВРК) объединяющие движительный и рулевой комплекс в одном агрегате.

Они значительно расширяют эксплуатационные возможности и маневренные характеристики ПК.

Производителями главных ВРК являются зарубежные фирмы «Aquamaster», «Steerprop Ltd», «Schottel Gmbh», «Niigata» и др. В России ВРК выпускает завод

«Сапфир» в Большом Камне и НПО «Винт» [3]. Главные винторулевые колонки (ГВРК) выпускаются с одиночными и соосными винтами противоположного вращения и гребными винтами в направляющих насадках. ССК «Звезда» освоила выпуск судов снабженцев ледового класса.

1.2. Характеристики пропульсивного комплекса

Пропульсивный (propulsive – движущий) комплекс является системой взаимодействующих элементов, обеспечивающих движение, маневрирование и остановку судна с обеспечением высокой степени надежности в различных эксплуатационных условиях. Дизельная энергетическая установка входит в состав ПК и режимы ее работы будут во многом определяться характеристиками конкретного ПК

В состав ПК входят: главный двигатель или двигатели (если их несколько), передача (редуктор, соединительные муфты, валопровод), гребной винт (ГВ), корпус судна.

На транспортных судах чаще всего применяют ПК с малооборотными двухтактными двигателями (МОД) и прямой передачей мощности на гребной винт. Используются СДУ как с прямой передачей, так и с ВРШ. Применение дизель-редукторных установок (ДРУ) с среднеоборотными двигателями (СОД) позволяет сократить размеры МО по высоте и облегчить отбор мощности на ВГ. Находят применение различные компоновочные и схемные решения [1,2,4,28].

Совмещение характеристик корпуса и винта определяет необходимую мощность ГД. Рассмотрим взаимодействие и условия работы элементов ПК.

Взаимодействие гребного с водой и корпусом судна характеризуется создаваемым винтом упором P, вращающим моментом поглощаемым винтом, частотой вращения винта n_p, скоростью воды, поступающей на лопасти V_a, (из-за наличия попутного потока она меньше скорости движения судна V), поступью гребного винта h_p и в конечном итоге к.п.д. винта η_p.

Схема судового пропульсивного комплекса и описание взаимодействия его элементов приведены в источнике [2].

Гребной винт встречает воду не со скоростью движения судна V, а со скоростью V_a уменьшенной на величину скорости попутного потока, который вызван трением воды вдоль сторон корпуса и увеличивает упор винта.

V_a = V–V_п

Наличие попутного потока улучшает работу ПК, его влияние учитывается коэффициентом попутного потока.

Кроме того, в процессе работы ГВ засасывает воду из под кормы, отбрасывая ее назад и уменьшая давление воды на кормовую часть. Возникающая сила засасывания, отнесенная к упору винта, называется коэффициентом засасывания.

Обводы, размеры и состояние корпуса и кормовой части, расположение и режимы нагрузки гребного винта влияют на пропульсивные качества и оцениваются коэффициентом влияния корпуса.

где ω – коэффициент попутного потока, ω = 0,2…0,45;

t – коэффициент засасывания, t = 0,12…0,3;

i – коэффициент, учитывающий неравномерность поля скоростей в диске винта, i = 0,95…1,03.

Буксировочная мощность расходуется на преодоление сопротивления движению судна.

N_б = R ∙ V = P_е ∙ V

Осевая скорость винта относительно воды V_p незначительно отличается от скорости V_a.

Пропульсивный коэффициент – это отношение буксировочной мощности к мощности подводимой к винту N_B.

Пропульсивный коэффициент характеризует гидромеханические потери на ГВ при его взаимодействии с корпусом.

Помимо этих потерь следует учитывать потери в редукторной передаче η_n (при ее наличии), валопроводе η_B и потери в ГД.

Тогда К. П. Д. пропульсивного комплекса представляется в виде:

Поступь винта h_p – это путь, пройденный винтом в воде за один оборот. Относительная поступь – это поступь, отнесенная к диаметру винта D.

Если бы гребной винт вращался в твердой среде, как штопор в пробке, то за один оборот он бы прошел расстояние, равное шагу винта H без скольжения.

Скольжение S – безразмерная величина, определяемая как отношение скорости скольжения V_c = (H × n_p – V_a) к осевой скорости винта в «твердой среде», равной H × n_p

В реальных условиях скольжение винта относительно воды является условием создания упора винта. Винт отбрасывает воду назад и создает упор. Без скольжения не будет и упора винта.

Упор ГВ зависит прямо пропорционально от массы и скорости отбрасываемой воды, а потери энергии с отбрасываемой частью воды пропорциональны произведению массы на скорость воды во второй степени, поэтому КПД винта будет увеличиваться при увеличении диаметра D и снижении частоты вращения винта n_p. Масса отбрасываемой воды будет возрастать при увеличении диаметра ГВ, а обороты винта n_p при этом можно снизить. КПД винта зависит от относительной поступи, а также от обводов корпуса и имеет для ВФШ ярко выраженное оптимальное значение при определенном λ_p.

На рисунке 1.1. приведены кривые действия геометрически подобных винтов фиксированного и регулируемого шага [2].

Рис 1.1. Кривые действия гребных винтов:

а) – ВФШ; б) – ВРШ [2].

Соответствующие зависимости для упора, момента, мощности и КПД винта при упрощающем допущениях, что M_B^~n²_p, N_B^~n³_p выражаются формулами:

Из анализа зависимостей КПД на рисунке 1.1а и 1.1б видно, что ВРШ обеспечивает работу с высоким КПД в широком диапазоне режимов. Изменения величин λ_p и S происходит при значительных воздействиях на сопротивление движению судна (разгон, торможение, работа во льдах). ВРШ широко применяются в установках, где часто меняются режимы работы.

Пропульсивный комплекс должен обеспечить не только заданную спецификационную скорость движения судна за счет создания тяги Pe и подведение к винту мощности N_B, но и обеспечить надежную работу в определенном диапазоне скоростей и частот вращения.

Для анализа совместной работы гребного винта, корпуса судна и ГД используют ходовые или паспортные диаграммы судна. Они представляются в виде зависимостей R = f (V) и N_B f (V).

Паспортную (ходовую) диаграмму судна первоначально представляют в виде зависимостей сопротивления движению R от скорости судна V при различных условиях плавания и при различных постоянных частотах вращения гребного винта n_p.

R(P_B) = f (V, n_p, условия плавания)

Затем эту паспортную диаграмму можно перестроить в диаграмму зависимости мощности, потребляемой гребным винтом, от возможной скорости движения судна при различных сопротивлениях движению судна по условиям плавания или зависимости от значений относительных поступей винта λ_p при различных частотах его вращения n_p.

N_B = f (V, n_p, λ_p).

Для построения кривых, представленных на рис. 1.2, можно использовать следующие уравнения.

Мощность буксировки судна с заданной скоростью на свободном ходу:

N_R = R ∙ V.

Мощность, потребляемая гребным винтом:

N_B = M_B ∙ ω_B,

где M_B – крутящий момент, потребляемый гребным винтом;

ω_B – угловая скорость вращения гребного винта, 1/с.

Зная экспериментальные значения коэффициентов упора K₁ и момента K₂ для гребного винта выбранной серии, можно определить зависимости упора винта и потребляемой винтом мощности от скорости судна, по приведённым выше формулам [2] или по формулам [5].

где K_C = K₁(1 – t)i – коэффициент тяги.

Паспортные диаграммы (графики P_e = f(n_p,V) и N_b = f'(n_p, V)) позволяют определить для установившихся режимов судна взаимосвязи между мощностью, подводимой к винту, частотой вращения винта и скоростью судна.

Эти диаграммы потом уточняются по результатам ходовых испытаний.

Общая конфигурация последней паспортной диаграммы с учетом ограничения по мощности ГД представлена на рисунке 1.2.

Если перенести кривые мощности, потребляемой винтом 2 в координаты N_e^ГД = f(n_ГД), учитывая, что частоты ГВ и ГД равны или связаны через величину передаточного числа редуктора, то получим широко распространенную диаграмму скоростной характеристики двигателя N_e = f(n), которая является паспортной диаграммой пропульсивного комплекса «корпус – движитель – двигатель».

Рис. 1.2. Паспортная диаграмма судна с пропульсивной установкой с ВРШ:

1 – n=const; 2 – λ_p= const; 3 – ограничительная характеристика по эффективной мощности.

Согласование характеристик «корпус-винт» с характеристиками двигателя графически представлено на рисунках 1.3 [5]. Нанося предельные характеристики двигателя на характеристики комплекса «корпус-винт», получим в левой части рисунка 1.8 паспортную диаграмму пропульсивного комплекса «корпус-движитель—двигатель».

Рис. 1.3. Характеристики и паспортная диаграмма пропульсивного комплекса [5]

Для анализа работы ГД по винтовой характеристике наносится кривая потребляемой винтом мощности. Для этого точки 1”– 2”-3”-4” на кривой зависимости потребляемой винтом мощности от скорости судна переносятся на правый график при тех же частотах вращения двигателя и, соединив их плавной кривой, получим винтовую характеристику двигателя.

Динамические качества ПК будут зависеть от ряда факторов. Определим факторы, влияющие на скорость движения судна.

Буксировочная мощность Nб зависит от мощности, подводимой к винту и пропульсивного коэффициента

N_б = R∙V = N_B∙η = 2π∙M_B∙n_p∙η.

Отсюда скорость движения судна

Буксировочная мощность Nб зависит от мощности, подводимой к винту и пропульсивного коэффициента

N_б = R∙V = N_B∙η = 2π∙M_B∙n_p∙η.

Отсюда скорость движения судна

На стационарных режимах работы при неизменных внешних факторах скорость судна будет пропорциональна частоте вращения винта.

При постоянстве пропульсивного КПД η будет соблюдаться равенство относительных величин

Это значит, что в относительных координатах характеристика винта и корпуса будут одинаковыми. Таким образом, на стационарных режимах соблюдается условие автомодельности характеристик сопротивления корпуса и винта. Это позволяет моделировать эксплуатационные режимы СЭУ и судна.

При переходных режимах (разгон, торможение, реверсирование, работа на волнении) будут дополнительно возникать инерционные силы и моменты движущихся масс

R' = D(dV/dτ)

и вращающихся масс

Тогда отношение скорости судна к частоте вращения винта выразится

Все величины, кроме водоизмещения, будут переменными. Инерционной составляющей линии валопровода I∙(dω/dτ) можно пренебречь.

Анализ зависимости отношения V/n_p показывает, что на участках ускоренного движения судна рост скорости судна будет отставать от роста частоты винта, а при торможении, наоборот, инерция массы судна D(dV/dτ) будет отрицательная и будет способствовать поддержанию скорости судна.

Кроме того, следует отметить, что изменение частоты вращения при изменении уставки регулятора также будет происходить неравномерно, особенно при пуске ГД и использовании регуляторов без функций ограничения по нагрузке и давлению наддува (типа UG-40) [6].

Забросы топливоподачи могут быть значительным, что ведет к повышенным термическим напряжениям. Если используются регуляторы, реализующие ограничительную характеристику (типа UG-40TL и электронные), то забросы топливоподачи будут значительно меньше.

От настройки изодромной связи зависит многое. В современных электронных регуляторах (DGU 8800) в память микропроцессора занесена вся необходимая информация о двигателе, включая и момент инерции вращающихся масс, что позволяет автоматически мгновенно вычислять реальный вращающий момент двигателя с учетом инерционной составляющей на любом режиме и автоматически изменять характеристики (настройки) изодромной связи регулятора, обеспечивающие оптимальную по расходу топлива и по износу динамику работы двигателя (см. пункт 6.2.3.5).

Динамические качества пропульсивной установки будут зависеть от соотношения влияния перечисленных факторов (величины крутящего момента, пропульсивного коэффициента, инерционной силы движущихся масс судна, заданий регулятора).

Дизельная энергетическая установка входит в состав ПК и режимы ее работы будут во многом определяться характеристиками конкретного ПК.