Эксплуатация современных судовых дизельных установок

1.3.4. Двигатели Wärtsilä

Двигатели Wärtsilä – это современные экономичные двигатели в конструкции которых реализованы современные прогрессивные тенденции (подвесной коленвал, упрочнение втулки, антипригарное кольцо втулки и т. п.). Используются двухконтурные системы охлаждения пресной водой. Конструкции двигателей описаны в литературе [12,20,21,23].

Особенностью является применение комбинированного наддува “SPEX (Swirl-Pulse-Exhaust). Выпуск газов из цилиндров осуществляется в один коллектор как и при наддуве с постоянным давлением, но его объем значительно меньше. Вход газовых потоков осуществляется по касательной, поэтому движение газов вращательно-поступательное. Кинетическая энергия импульсов в меньшей степени теряется на расширение и турбулизацию, а используется на закручивание потока, причем при этом импульсы сглаживаются.

В двигателе W26X (отделение Diesel Ricerce концерна WNSD) достигнуто высокое форсирование (до 28,2 бар). На новых турбокомпрессорах во всем диапазоне нагрузок и оборотов системы наддува имеют байпасные клапаны по выпускным газам и по воздуху. В некоторых дизелях при высоких средних эффективных давлениях этого оказалось недостаточно, поэтому перешли на наддув с отключением ТК на пониженных частотах вращения. Система наддува электронноуправляемая.

Рис. 1.22. Система охлаждения двигателя L32 [23].

Применяются двухконтурные по пресной воде системы охлаждения. Пресная вода высокотемпературного контура охлаждает наддувочный воздух в первой ступени ОНВ.

Таким образом, на режимах пуска и малых ходов холодный воздух фактически подогревается. Терморегулятор ВТ контура для двигателя Wärtsilа L32 имеет настройки 93…97°C. Термостат НТ контура на этих режимах настраивается также на поддержание повышенной температуры 65…70 °C. Это облегчает запуск и работу дизеля на малых нагрузках. Состав и техническое использование системы описаны в [9,23].

Порядок пуска, обслуживания и остановки СОД модели L32 (Wärtsilä)

Перед пуском необходимо произвести соответствующую используемому топливу подготовку, которая заключается в реализации процедур подогрева, отстоя, сепарирования, введения присадок, фильтрации [9,22]. Необходимо подготовить все системы [9,12, 20,21]. При подготовке систем смазки и охлаждения проверить настройку терморегуляторов (на режимах пуска, малых нагрузок и экплуатационных режимах они разные).

Пуск производится в следующей последовательности:

– пуск насоса предварительной прокачки маслом;

– проворачивание коленвала валоповоротным устройством при открытых индикаторных кранах в течение 10…15 минут;

– отключение ВПУ от маховика двигателя;

– проворачивание коленвала на два оборота пусковым воздухом, предварительным переводом рычага регулятора частоты вращения в положение «Стоп» и рукоятки панели управления в положение «продувка», при открытых индикаторных кранах;

– установка рычага управления регулятором в положение «Работа», переключение рукоятки на панели в положение «местный старт»;

– закрытие индикаторных кранов;

– нажатие кнопки «Старт»;

– проверка после пуска работоспособности выпускных клапанов, ГТН, ощупать трубки пусковых клапанов;

– проверка сразу после пуска значений давления и температур масла, воды, топлива;

– контроль за работой устройств автоматической аварийно-предупредительной сигнализации и защиты;

Ввод в режим эксплуатационной нагрузки осуществляется постепенно. В начале в течение 30 сек. повышают обороты до 500 об/мин. Через минуту вводится в зацепление редуктор при 500 об/мин и повышают обороты двигателя до 750 об/мин.

В зависимости от нагрузки поддерживаются различные температуры смазочного масла, охлаждающей воды и наддувочного воздуха

При 100 % нагрузке:

– температура масла на входе в двигатель 62–70°C, на выходе 72–83°C;

– температура воды в высокотемпературном контуре за двигателем 95–100°C, до двигателя – на 5–8 градусов ниже;

– давление воды в контуре 3,2–4,8 бар;

– температура воды в низкотемпературном контуре 28–32°C;

– температура наддувочного воздуха 40–60°C.

При 30 % нагрузке двигателя:

– температура смазочного масла на входе в двигатель 73–80°C, температура на выходе 78–88°C;

– температура воды в низкотемпературном контуре повышенная – 65…70°C; температура наддувочного воздуха – 60–70°C;

При остановке ГД типа L32 необходимо выполнить следующие действия:

– вывести дизель из зацепления с редуктором, предварительно понизив обороты до 500 [об/мин], выждать, чтобы дизель поработал на этой нагрузке, после чего на панели управления нажать кнопку «стоп» и перевести рычаг регулятора частоты вращения в положение «стоп»;

– открыть индикаторные краны;

– ввести в зацепление с маховиком валоповоротное устройство и проворачивать коленчатый вал двигателя в течение 10–15 минут.

Убедиться, что запустился масляный насос предварительной прокачки.

1.4. Конструктивные схемы и эксплуатация ПК с ВРШ и крыльчатыми движителями

Установки с ВРШ обеспечивают лучшие маневренные качества, но сложнее конструктивно. ВРШ является одним из наиболее сложных элементов ПК.

Рис. 1.23. Упрощенная схема ПК с СОД [66].

На рисунке 1.23 приведена упрощенная схема ПК типа «ВСР Propulsion Systtm» с СОД, включающего в себя ВРШ, дейдвуд с уплотнениями, редуктор (Gear Box), отключаемую гидромуфту (Shaft Coupling), ВГ, гидравлический блок питания (Hudravlic Power Pack), ГД, валопроводы. Коробка распределения масла (OD box) преобразует заданные команду в гидравлический сигнал, который приводит в действие механизм вращения лопастей.

1.4.1. Конструктивные структурные схемы ВРШ с МИШ в ступице винта (BERG Propulsion и ВРШ фирмы КаМеWа)

Ступица гребного винта состоит из двух основных частей: гидроцилиндра 1 (рис. 1.24) и корпуса втулки 3. Блок гребного винта крепится к кованому фланцу 2 болтами из нержавеющей стали на заднем конце вала гребного винта.

В гидроцилиндре находится поршень 4, который установлен на заднем конце штока поршня 5. Полый поршневой шток содержит масляную трубку, которая позволяет маслу под давлением течь либо вокруг трубки, либо через нее.

Рис. 1.24. Ступица винта [66]

Масло, протекающее по трубе 1, подается в камеру на задней стороне поршня, а масло, протекающее по трубе 2, направляется в камеру на передней стороне поршня (рис. 1.25). Движение поршня и штока передается механизму в корпусе ступицы. Подвижные части корпуса втулки состоят из обработанного четырехгранного стального ведущего блока 3, четырех меньших скользящих направляющих блоков из бронзы 4 и четырех вращающихся фланцев 5 (корни лопаток).

Ведущий блок установлен на переднем конце штока поршня и закреплен натяжной гайкой 6. Лопасти гребного винта крепятся приваренными болтами из нержавеющей стали 7. Попадание соленой воды в основание лопасти предотвращается резиновым уплотнительным кольцом между лопастью и корпусом втулки.

Рис. 1.25. Детали ступицы, обеспечивающие поворот лопастей [66].

В зависимости от назначения и типа судна существует большое количество конструктивных исполнений ВРШ. Механизм изменения шага (МИШ) может располагаться как на валопроводе, так и в ступице гребного винта, причем в ступице гребного винта могут располагаться 2 гидроцилиндра. Значительно более подробно различные конструкции и работа ВРШ изложены в [10].

ВРШ отличаются высокой надежностью и не претерпели принципиальных конструктивных изменений, поэтому для детального представления о конструкции ВРШ с МОД рассмотрим структурную схему ВРШ пневмогидравлического типа фирмы «КаМеWа» (рис. 1.26).

Шаг винта и частота вращения ГД задаются единой рукояткой управления 6, реже двумя рукоятками (в системах управления устаревших ВРШ). Пневмозадатчики 8 и 38 передают пневмосигналы управления шагом ВРШ и частотой ГД (рис. 1.26).

Телемотор-приемник 25, по сути дела пневмогидравлический золотник, в зависимости от величины давления пневмосигнала управляющего воздуха направляет силовое масло в вспомогательный сервомотор 12, который называют также гидроусилителем. Он перемещает управляющую штангу 35 золотника 34 (рис. 1.26). Золотники направляют масло в ту или иную полость сервомотора МИШ.

МИШ разворачивает лопасти гребного винта при перемещении поршня сервомотора. Положение поршня сервомотора 32 и соответственно лопастей винта фиксируется обратной связью.

ВРШ имеет механизм поворота лопастей кривошипно-кулисного типа с гидравлическим приводом, расположенном в ступице и масловвод, расположенный в линии валопровода.

Рис. 1.26. Конструктивная структурно-функциональная схема ВРШ фирмы «КаМеWа»:

1- винт с поворотными лопастями; 2 – гребной вал; 3 – клапан, регулирующий давление в сливной магистрали; 4 – масловод; 5 – редукционный клапан нагнетающей магистрали; 6 – рукоятка главного поста управления; 7 – программный кулачок изменения шага винта; 8 – телемотор-задатчик винта; 9 – манометры; 10 – пусковой воздушный баллон ГД; 11 – редукционный клапан; 12 – вспомогательный сервомотор; 13 – телемотор-приемник шага винта; 14 – нерегулируемый дроссель; 15 – золотник; 16 – невозвратные клапана; 17 – насос удержания; 18 – насос перекладки; 19 – основной маслобак; 20 – разгрузочный клапан; 21 – поршень золотника; 22 – поршень вспомогательного сервомотора; 23 – рычаг обратной связи; 24 – насос поддержания высокого уровня масла в напорном баке; 25 – регулировочный штифт; 26 – напорный масляный бак; 27 – пружина; 28 – поршень; 29 – пальцевая шайба; 30 – уплотнительная манжета; 31 – предохранительный клапан; 32 – стакан; 33 – пружины; 34 – золотник маслораспределительный; 35 – управляющая штанга; 36 – масляный трубопровод; 37 – программный кулачок изменения частоты вращения ГД; 38 – задатчик частоты вращения.

Гребной винт имеет три поворотных лопасти. Внутри ступицы расположен поршень сервомотора, 28, передающий усилие на поворот лопастей. Уплотнительная манжета двойного действия выполнена из спецрезины, вулканизированной на металлическое кольцо. Она предотвращает как утечку масла из ступицы, так и попадание воды в ступицу.

Во фланце гребного вала 2 установлен предохранительный вентиль 31, при помощи которого производится стравливание масла из ступицы при повышении давления вследствие температурного расширения или просачивания масла из гидроцилиндра.

Поршень 28 гидравлического цилиндра имеет металлическое уплотнительное кольцо, расположенное в канавке поршня. В кормовой части цилиндра на стакане 32 расположены две мощные пружины 33, которые устанавливают лопасти в положение полного переднего хода в случае падения давления масла в гидросистеме и удерживают поршень в этом положении. Это позволяет судну сохранить передний ход в случае выхода из строя гидропривода. При сборке винта пружины предварительно зажимают между поршнем и стаканом.

Поршень соединен с ползуном, имеющим трехгранную форму и служащим для преобразования возвратно-поступательного движения поршня в поворотное движение лопастей. Внутренняя полость ступицы полностью заполнена маслом. Т

Внутри штока поршня расположен маслораспределительный золотник 34, при перемещении которого масло перепускается в одну или другую полость гидравлического цилиндра по соответствующим каналам. Золотник 34 при помощи шарнирного соединения соединен с управляющей штангой 35, проходящей внутри полого гребного вала 2. Шарнирное соединение служит для предотвращения заклинивания золотника в гильзе, к которой он притерт, в случае появления перекосов из-за деформации гребного вала.

По управляющей штанге масло под давлением подводится к маслораспределительному золотнику. Если передвинуть маслораспределительный золотник (при помощи управляющей штанги 35), то откроется подача масла в гидроцилиндр и вместе с золотником начнёт перемещаться поршень. После того, как золотник остановится в заданном положении, поршень, продолжая движение под давлением масла, поступающего через золотник, перекроет соответствующие отверстия и также остановится в заданном положении.

Рис 1.27. Телемотор-приемник «КаМеВа»: А – к вспомогательному сервомотору; Б – входное отверстие для масла под давлением; В – от телемотора-датчика шага; Г – к скользящей муфте масловвода; Д – утечное масло; Е – слив;1 – большой поршень золотника; 2 – пружина; 3 – малый поршень золотника; 4 – канал; 5 – корпус; 6 – кольцевая выточка; 7 – кольцевая выточка; 8 – фильтр; 9 – дроссельное отверстие; 10 – поршень; 11 – штырь; 12 – регулировочный штифт;13 – пружина; 14 – диафрагма; 15 – крышка телемотора-приемника;16 – отверстие подвода управляющего воздуха; 17 – отверстие; 18 – корпус телемотора-приемника; 19 – кольцевая выточка; 20 – кольцевая выточка.

При движении золотника в нос, масло под давлением будет проходить через отверстие в золотнике в кормовую часть гидравлического цилиндра и будет двигать поршень в нос до тех пор, пока пояски золотника не окажутся в нейтральном положении. При движении золотника в корму, поршень также двигается в корму.

При перекладках масло под давлением подаётся через золотник в одну из полостей гидроцилиндра по управляющей штанге 35, а слив масла из другой полости производится по кольцевому пространству между штангой 35 и сверлением вала 2.

Вспомогательный сервомотор 12, который через рычаг перемещает штангу 35 и золотник 34, управляется через телемотор-приемник изменения шага винта, который пневматически связан с рукояткой управления шагом.

Телемотор-приемник является одним из основных элементов в пневматической системе поворота лопастей.

Конструктивный чертёж пневмоприёмника приведён на рисунке 1.27. В корпусе 18 телемотора-приемника изменения шага винта, так же как и в корпусе телемотора-задатчика, имеются пружина 13 и диафрагма 14, нагруженная давлением управляющего воздуха, поступающего от телемотора-датчика.

Диафрагма 14 с регулировочным шрифтом 12, золотника, состоящего из двух поршней большого диаметра 1 и малого диаметра 3, штыря 11 – устройство обратной связи от вспомогательного сервомотора.

Диафрагма нагружена давлением управляющего воздуха со стороны «р» и пружиной 13, которая одним концом упирается в поршень 10. Площадь малого поршня 3 в два раза меньше площади большого поршня 1. Первый поршень управляет клапаном разгрузки (КР), а второй поршень регулирует поток масла, поступающего в полость вспомогательного сервомотора.

Масло к большому поршню золотника 1 поступает через встроенный фильтр 8. Далее силовое масло постоянно подводится к вспомогательному сервомотору, который связан со штангой управления разворотом лопастей ВРШ. Одновременно, через дроссельное отверстие 9, масло поступает в полость, со стороны которой создается давление на поршень 10, и в канал «х», откуда через отверстие 17, масло вытекает на слив E.

Поток масла через отверстие 17 дросселируется иглой штока 12, положение которого зависит от положения диафрагмы 14.

При её среднем положении истечение через отверстие 17 обеспечивает такое давление масла в полости «ф», которое, воздействуя на торцевую поверхность большого поршня золотника, уравновешивает усилия от давления масла со стороны полости «с» и пружины 2.

При необходимости изменения угла разворота ВРШ, переставляют рукоятку управления 6, при этом кулачная шайба 7 переместит шток задатчика шага 8. Изменится давление управляющего воздуха, который поступает к телемотору-приемнику (рис. 1.26).

Изменения давления управляющего воздуха на мембрану телемотора-приемника приведет к ее перемещению в нос либо в корму, при этом переместится клапанный штифт, который связан шарнирно с мембраной. Это увеличит либо уменьшит дроссельное отверстие гидравлической полости, что приведёт соответственно к уменьшению либо увеличению давления на площадь большого поршня телемотора приемника, оба поршня переместятся в носовую или кормовую часть судна. Кольцевая выточка 6 на поршне 1 частично совместится с выточкой 7 или выточкой 19 на корпусе 5 и масло поступит к сервомотору.

Поршень сервомотора сместится и через рычажную обратную связь передвинет штырь 11 и поршень 10. Затяжка пружины 13 изменится и диафрагма 14 вместе со штифтом 12 возвратится в первоначальное положение. После этого давление масла в камере «ф» также возрастёт или уменьшится и золотник возвратится в среднее положение, прекратив тем самым подачу масла к вспомогательному сервомотору.

В период маневра для его ускорения требуется увеличить подачу масла к механизму разворота ВРШ, для чего должен быть включен клапан разгрузки резервного масляного насоса. Это осуществляется поршнем 3 золотника путем перепуска масла от клапана разгрузки по каналам 4, по кольцевой выточке 20 в корпусе телемотора-приемника, по левой или правой кольцевой выточке на поршне 3 (в зависимости от стороны смещения) по каналам в сливную трубу «Е» (рис. 1.27).

После поступления масла во вспомогательный сервомотор 12, изменится положение маслораспределительного золотника 34 сервомотора поворотного устройства винта и обеспечит поворот лопастей в новое положение (рис. 2.26).

Давление масла создаётся шестеренным насосом 18, который приводится в действие через зубчатую передачу от гребного вала (на малых судах), или имеет независимый привод от электромотора (на больших судах).

Предусмотрен и небольшой пусковой маслонасос, приводимый в движение от электродвигателя и служащий для перевода лопастей в положение нулевого шага при запуске главного двигателя. Этот же насос может быть использован как аварийный при выходе из строя основного маслонасоса.

Для больших винтов устанавливают два насоса с электрическим приводом, один из которых (насос удержания) 17 постоянно подаёт масло под давлением, а второй (насос перекладки) 18 автоматически включается только во время маневра и в промежутках между перекладками выключен.

При перекладке лопастей масло при помощи маслонасоса 18 из основного маслобака 19 по трубопроводу 36 проходит в кольцевую выточку масловвода 4, уплотненную двумя кольцами и далее через сверление в гребном валу попадает внутрь управляющей штанги 35, а через маслораспределительный золотник 34 в одну из полостей гидравлического цилиндра. Давление масла в нагнетательной магистрали определяется затяжкой предохранительного клапана 5, который обычно регулируется на давление 1,8 МПа.

Масло, выходящее из ступицы, проходит по кольцевому пространству между штангой 35 и валом 2. Через сверление в валу и клапан 3, определяющий давление в сливной магистрали, масло поступает в маслобак 19, откуда насосом 24 подаётся в напорный бак 26 по мере понижения уровня в нём. Из маслобака 26 (при его наполнении) масло сливается в нижний маслобак 19. Напорный маслобак 26 служит для подпитки маслом картера масловвода при длительных ходах судна без перекладки лопастей винта.

Для предотвращения утечек масла из масловвода по концам последнего установлены специальные уплотнения. Незначительное количество масла, протекающего через концевые уплотнения, собирается в маслосборниках и по трубкам стекает в бак 19.

Пост управления шагом гребного винта и частотой вращения главного двигателя находится в рулевой рубке и представляет собой вертикальную колонку с двумя рукоятками. Для раздельного управления шагом винта и частотой вращения ГД или одной управляющей рукояткой, воздействующей через кулачки 7 и 37 на задатчики шага винта 8 и частоты вращения главного двигателя 38.

Колонка имеет сигнальную лампу, загорание которой сигнализирует о перегрузке ГД. На колонке управления размещены тахометр, указывающий частоту вращения винта, и прибор, указывающий положение лопастей.

Рассмотренная конструкция имеет хорошие массогабаритные показатели, из-за отсутствия массивной нагруженной штанги привода механизма поворота лопастей винта. Но она не лишена недостатков, к которым относятся:

• Большие масса и габариты винта с поворотными лопастями;

• Конструктивные трудности при обеспечении надежного уплотнения в линии подвода масла в МИШ;

• Невозможность проведения ремонтных работ и ревизии МИШ без постановки судна в дорогостоящий док.

1.4.2. Конструктивные схема ВРШ с МИШ в линии валопровода

Основное преимущество МИШ в линии валопровода состоит в том, что осмотр и ремонт механизма могут производится без постановки судна в док.

В большинстве отечественных проектов МИШ встроен в линию валопровода. По надежности такая конструкция удовлетворяет требованиям эксплуатации. На рыбопромысловых судах МИШ без ремонта работает по 30–50 тысяч часов.

Рассмотрим конструкции ВПЛ, гребного вала, МИШ и гидравлической системы винта регулируемого шага, предназначенного для рыболовного траулера.

Внутри ступицы ВПЛ расположен кулисный механизм, который преобразует возвратно-поступательное движение ползуна в поворотное движение лопастей.

Ползун в кормовой части опирается на шлицы шлицевой втулки, а в носовой части – на опорный подшипник. Шлицевая втулка воспринимает скручивающий момент ползуна и передаёт его на корпус ступицы. Внутри ползуна проходит стяжной болт для соединения со штангой. Ползун имеет два паза, в которых расположены сухари, в них входят кривошипные пальцы пальцевых шайб.

Комлевое уплотнение исключает износ как корпуса ступицы, так и комля винта (два бронзовых кольца уплотняются круглыми резиновыми манжетами).

Механизмы, расположенные в ВПЛ, смазываются маслом, поступающим из напорного маслобака системы смазки под давлением, обязательно, но незначительно превышающим давление забортной воды, для предотвращения проникновения забортной воды в ступицу и для предотвращения загрязнения маслом моря при большом перепаде. Необходимо контролировать перепад.

В ступице расположен компенсатор объема. Поршень компенсатора при перекладках лопастей вытесняет такой же объем как штанга гребного вала. Компенсатор обеспечивает ступице постоянный объем масла, что предотвращает образование вакуума и исключает подсос воды через уплотнения

Механизм изменения шага, создающий усилие для перекладки и удержания лопастей, встроен в линию валопровода (рис. 1.28). Основными узлами и деталями МИШ являются: вал МИШ 13 с гидроцилиндром 10, поршнем 11, кормовой стенкой 7, полумуфтой 4 и штангой 2, маслобукса 20 и гидроусилитель 24.

Рис. 1.28. Механизм изменения шага ВРШ: 1 – гребной вал; 2 – штанга гребного вала; 3 – стопор; 4 – полумуфта; 5 – стяжная гайка; 6 – подшипник; 7 – кормовая стенка; 8 – заглушка; 9 – пробка; 10 – цилиндр; 11 – поршень; 12 – пробка цилиндра; 13 – вал МИШ; 14 – гильза золотника; 15 – золотник; 16 – накидная гайка; 17 – маслосборник; 18 – штанга золотника; 19 – втулка масловвода; 20 – верхняя полубукса; 21 – пневмодатчик; 22 – телемотор; 23 – шкала указателя шага; 24 – гидроусилитель; 25 – вал коромысла; 26 – сливной патрубок; 27 – поводок; 28 – маслоотбойник; 29 – нижняя полубукса; 30 – коромысло; 31 – патрубок слива утечек; 32 – сухарь; 33 – ходовая гильза; 34 – масловвод; 35 – стопорная втулка; 36 – штуцер подвода масла; 37 – шарнир; 38 – вкладыш; 39 – манжета; 40 – упор; 41 – конический штифт; 42 – балансировочный груз; 43 – запорная шайба; 44 – гайка гребного вала; 45 – корпус манжеты; 46 – шпонка.

Поршень гидроцилиндра следует за распределительным золотником 15, положение которого задается системой дистанционного управления. Масло в цилиндр подается из маслобуксы 20 по каналам в штанге золотника 18. Маслобукса неподвижная, из двух половин, имеет проточки для подвода масла под давлением 36 и для отвода сливного масла 31. Маслобукса снабжена уплотнениями.

При перекладках золотник 15 перемещается относительно поршня. Масло от насоса направляется в соответствующую полость цилиндра. Поршень двигается в сторону золотника до тех пор, пока каналы между поршнем и золотником не перекроются и останутся только щели, через которые масло будет создавать минимальное давление, необходимое для удержания поршня на месте в заданном положении, и сбрасываться на слив.

Гидроусилитель 24 установлен для преобразования слабого пневмосигнала, получаемого телемотором в усилие, достаточное для перемещения распределительного золотника в поршне МИШ.

Управление ВРШ и дизелем осуществляется одной маневровой рукояткой с поста управления по следящей схеме, когда каждому положению рукоятки соответствует определенное сочетание шага и частоты вращения. Также как в описанной ранее схеме используются программные кулачки, пневмозадатчики, телемотор и вспомогательный сервомотор (гидроусилитель). Телемотор и гидроусилитель установлены на МИШ.