CC BY
38УДК 621.436
С. А. Ханмамедов, д. т. н., профессор, зав. кафедрой.
В. О. Калюжный, ассистент, ОГМА.
65029, Украина, Одесса, ул. Дидрихсона, 8, E-mail: sev(a)ma. odessa. иа
АНАЛИЗ ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ СУДОВЫХ МАЛООБОРОТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ
К статье определяются перспективы развития судовой энергетики на основе анализа
основных тенденций и напрвлений совершенствования малооборотных двигателей
фирмы МЛН Б и В.
На современном этапе развития судовой энергетики наиболее распространенным типом энергетической установки морских транспортных судов является дизельная с прямой передачей мощности на винт. Это объясняется тем, что малооборотные двигатели (МОД) обладают наивысшей для современных тепловых двигателей и установок топливной экономичностью, обеспечивают простую и надежную передачу мощности на гребной винт, имеют приемлемую для судов маневренность, большой ресурс, широкие возможности использования тяжелого топлива.
В результате жесткой конкурентной борьбы на мировом рынке судовых МОД остались три фирмы: «Мицубиси Хеви Индастриес ЛТД» (Япония), «Вяртсиля Нью Зульцер Дизель» (Швейцария) и «МАН Б и В Дизель А/С» (Дания).
На долю фирмы МАН Б и В и ее лицензиатов приходится в настоящее время около 65% производимых в мире таких двигателей. Эта фирма-лицензиар имеет более 20 лицензиатов в 11 странах и широчайшую сеть сервисных центров, агентств и складов запчастей в портах всех континентов мира, без которой немыслима эксплуатация энергетических установок морских транспортных судов. Поэтому нам представляется, что для определения дальнейших перспектив развития судовой энергетики правомерно произвести анализ основных тенденций и направлений совершенствования малооборотных двигателей, опираясь на сведения о дизелях этой фирмы.
Проанализируем основные направления совершенствования МОД, опираясь на сведения о дизелях МАН Б и В, которыми в перспективе, видимо, будут оснащаться суда отечественного производства.
Первое поколение лицензионных дизелей VTBF имело импульсную систему наддува, для которой характерны короткие выпускные патрубки, обеспечивающие использование кинетической энергии выпускных газов на лопатках турбокомпрессора (ТК). Этому периоду развития МОД были присущи умеренные степени повышения
ТС
давления наддувочного воздуха *. Доля энергии выпускных газов, преобразующаяся в механическую энергию в ТК, была сравнительно невелика и импульсная система, была приемлемой. Она обладала низкой металлоемкостью и, кроме того, обеспечивала работу дизеля на минимально устойчивых частотах вращения без дополнительных
воздуходувок.
Для первого поколения дизелей среднее эффективное давление составляло Р с
Ите = 0,7 МПа, средняя скорость поршня т = 6,1...6,2 м/с, удельный расход топлива = 216...220 г/(кВт ч), а удельная масса (материалоемкость), косвенно характеризующая себестоимость производства, достигала примерно 60 кг/кВт.
Стремление к снижению себестоимости производства дизелей и к повышению их конкурентоспособности предопределило стабильное форсирование МОД по наддуву
воздуха. Второе поколение дизелей VT2BF уже имело = 0,84 МПа и, благодаря более высокой температуре сгорания топлива, его удельный расход составил
• 209...211 г/(кВтч), а материалоемкость около 50 кг/кВт.
П Г
Третье поколение дизелей K-EF имеет = 0,94 МПа, т = 6,5 м/с и несколько меньший удельный расход топлива. Отметим, что существенных изменений в конструкции дизелей первых трех поколений не наблюдалось, поскольку запасы прочности и жесткости, заложенные в конструкцию дизелей VTBF, оказались значительными.
Дальнейшая форсировка МОД по Пк, рост тепловой напряженности и жесткости работы двигателя требовали существенных конструктивных изменений. На рубеже 70-80 гг. в дизелях произошел резкий скачок повышения термодинамической эффективности. Повышение КПД обусловлено существенным ростом давления и объемной скорости впрыскивания топлива за счет увеличения скорости движения плунжера топливного насоса высокого давления (ТНВД) и, в большей степени, его диаметра. При этом уменьшился угол опережения впрыскивания топлива, сократилась его продолжительность. Высокое давление впрыскивания (90...110 МПа) способствовало мелкому распыливанию топлива при высокой температуре, что увеличило его скорость сгорания и вызвало значительный рост максимальной температуры цикла. Более широкий диапазон температур, в котором преобразуется тепловая энергия в меха-
• ническую, предопределил снижение е .
Рост тепловой напряженности и жесткости работы двигателя потребовал существенных конструктивных изменений. В этой связи поколение дизелей K-GF является » как бы переходной моделью к современным дизелям поколения MC. У дизелей K-GF
более прочные и более жесткие узлы остова, охлаждается верхний опорный фланец цилиндровой втулки, цельнокованая цилиндровая крышка имеет радиальные сверления для охлаждающей воды, интенсифицировано масляное охлаждение поршня, механический привод клапанов заменен гидравлическим. Это позволило повысить
ь
до 1,08 МПа и снизить е до 207 г/(кВгч), а материалоемкость сократить до 42 кг/кВт.
Следующее поколение дизелей L-GFCA отмечено дальнейшим совершенствованием МОД в направлении улучшения пропульенвных характеристик судна: понижена частота вращения коленчатого вала п вследствие роста отношения хода поршня к диаметру цилиндра S/D, что способствовало повышению КПД винта.
Росту термодинамической эффективности МОД [для L-GFCA
е - 189... 192 г/(кВт ч)] способствовало не только повышение начальных рабочих параметров цикла, но и увеличение S/D, поскольку улучшились условия продувки.
Высокие значения Р™* = 1,3 МПа обеспечиваются прежде всего значительной мощностью ТК, а следовательно, и значительной долей тепловой энергии, которая преобразуется в механическую в ТК. Целесообразная форсировка МОД по п к связана с л КПД ТК. Получение высокого значения КПД невозможно в импульсных системах
наддува. Поэтому в дизелях L-GFCA введена изобарная система наддува с применением электровоздуходувок для работы при малых частотах вращения коленчатого вала.
Практически предельная топливная экономичность достигнута у современных МОД семейства MC, поскольку дальнейшее увеличение скорости сжигания топлива, а
следовательно, рост верхней температуры цикла представляется проблематичным с использованием традиционных систем подачи топлива в цилиндр дизеля. Для двигателей МС = 169...178 г/(кВт ч). За последние 15 лет их КПД остается практически без изменений, так что по этому показателю дизели, вероятно, находятся на верхней части кривой их эволюционного развития.
Вместе с тем эффективность МОД определяется не только их высоким КПД но и надежностью, экологической чистотой, гибкостью адаптации к конкретным проектам судов различного назначения, а для производителей дизелей — и их себестоимостью, т.е. прежде всего материалоемкостью.
Каждая последующая модификация двигателей семейства МС отличается от предыдущей, как правило, увеличением ^те. Примерно за 20 лет производства дизелей МС это давление выросло от 1,46 до 1,95 МПа в зависимости от модификаций: для
Мк ] = 1,5 МПа, для Мк II Рте = 1,62 МПа, для Мк V ^те = 1.7 МПа, для Мк
VII Р™ = 1,9 МПа и выше.
В установках с прямой передачей мощности на гребной винт важную роль, с точки зрения получения максимально возможного значения пропульсивного КПД, играет частота вращения коленчатого вала. Поскольку на более крупных судах с более мощными главными двигателями можно разместить винт относительно большего диаметра с меньшей частотой вращения, то для производимых дизелей с ростом мощности частота вращения падает. Кроме того, частота врашения существенно зависит от S/D. В настоящее время производятся дизели с разными значениями этого отношения: коротко- (К-МС, S/D = 2,55...2,88), длинно- (L-MC, £/£> = 3,24) и сверхдлинноходовые (5-МС, SJD = 3,5...4,2). В течение последних 40 лет производства МОД создавались дизели все с большим значением SID, а следовательно, с меньшей частотой вращения, что улучшает пропульсивные качества судов. Наряду с этим улучшаются условия продувки цилиндра, что также способствует некоторому росту КПД двигателя.
Наибольшим совершенством обладают сверхдлинноходовые дизели так называемой компактной модификации S-MC-C, отличающиеся как конструктивной простотой, так и высокой термодинамической эффективностью, надежностью, ремонтопригодностью. В отличие от других модификаций, для которых материалоемкость составляет примерно 22...36 кг/кВт, дизели S-MC-C приближаются по этому показателю к 20... 32 кг/кВт. Таким образом, материалоемкость дизелей за 40-летний период снизилась более чем в два раза с одновременным некоторым снижением частоты вращения коленчатого вала, а расход топлива сократился от 220 до 169 г/'(кВтч).
Основные характеристики дизелей серии МС приведены в табл. 1.
Уменьшение материалоемкости было достигнуто как конструктивными изменениями, так и тщательными прочностными расчетами. Примерно на 10% снижена длина двигателей S-MC-C, что важно для размеров машинного отделения. Конструктивные изменения (по сравнению с базовыми моделями МС) коснулись остова двигателя, цилиндровой втулки, поршня, его колец, коленчатого вала, подшипников и топливного оборудования. Традиционная сквозная анкерная связь заменена двойными укороченными анкерными связями, что упростило конструкцию двигателя и технологию его изготовления.
Высокая верхняя часть поршня позволила расположить кольца ниже, что положительно влияет на состояние цилиндров благодаря большому объему воздуха между верхней частью и рабочей поверхностью цилиндровой втулки. При этом расположение колец на более холодном участке поршня создает резерв дальнейшей форсировки
дизеля. Высокий поршень дает возможность расположить ниже сопряжение поверх* ностей цилиндровой втулки и крышки, что снижает термическую нагрузку на цилиндровую втулку. Наиболее высокая термическая нагрузка воспринимается стальной цилиндровой крышкой, которая имеет более высокую термическую стабильность, чем чугунная цилиндровая втулка. Применение верхнего поршневого кольца с разгрузочными канавками для контролируемого перепада давления снизило термическую нагрузку на цилиндровую втулку и второе кольцо.
Таблица I
Основные характеристики малооборотных дизелей
Марк» дизелей Характеристики
Дише тр цилнн дра D, мм Ход поршня S, мм Отношен ие S/D Среднее эффекта вное давление Рте, МПа Частота вращения я, мин-1 Цилиндр овая мощность №/, кВт Удельный расход топлива be, г(кВт-ч)
L50MC 500 1625 3,25 1,7 108 635 167-175
L60MC 600 1950 3,25 1,7 90 635 165-173
L70MC 700 2275 3.25 1,8 77 1240 164-172
L80MC 800 2600 3,25 1,8 68 1630 164-172
L90MC 900 2925 3,25 1,7 60 2060 163-171
S50MC 500 1910 3,82 1,8 123 1300 165-174
S60MC 600 2292 3,82 1,8 102 1870 163-173
S70MC 700 2674 3,82 1,8 88 2560 162-171
S80MC 800 3056 3,82 1,8 77 3350 162-171
К80МС-С 800 2300 2,875 1,8 93 3012 163-173
К90МС 900 2550 2,83 1,8 82 3800 162-172
S46MC-C 460 1932 4,2 1,9 129 1310 174
S50MC-C 500 2000 4,0 1,9 127 1580 171
S60MC-C 600 2400 4,0 1,9 105 2255 170
S70MC-C 700 2800 4,0 1,9 91 3105 169
Уменьшение длины двигателя обеспечено меньшим межцилиндровым расстоянием и более коротким упорным подшипником. В связи с этим диаметр шеек коленчатого вала увеличен, а подшипники имеют тонкостенную конструкцию и изготовлены из материала Sn40Al.
Для большей скорости сгорания топлива интенсифицирован впрыск, что достигнуто большей крутизной кулачковой шайбы, а плунжер ТНВД имеет большую площадь контакта с втулкой для снижения вероятности задира. В форсунках применены новые распылители с уменьшенным объемом «мешочка» (типа “mini sac”), что оказывает положительное влияние на чистоту сгорания топлива и снижает эмиссию оксидной группы NOx.
Рост дальнейшей термодинамической эффективности МОД возможен при повышении верхней температуры цикла, сопровождаемом, однако, увеличением концентрации оксидов азота в отходящих газах, которая лимитируется международными соглашениями.
В настоящее время действующими Правилами 1МО («Технический кодекс по контролю эмиссии оксидов азота судовыми дизельными двигателями») накладываются ограничения на эмиссию NOx, поскольку из всех токсичных компонентов отходящих газов они наносят наибольший ущерб.
Значения эмиссии NOx, г/(кВт ч), для современных дизелей МАН Б и В следующие: S26MC - 13; S35MC - 19; L42MC - 14; S42MC - 15; S46MC-C - 18; S60MC - 20; L60MC - 16; К80МС-С - 20; S80MC - 17,5; К90МС-С - 22. Таким образом, ряд двигателей превышает предельную эмиссию, что вызвано значительной их форсировкой по 71
к , высокими начальными параметрами цикла (температурой и давлением).
Принимаемые специальные меры по снижению эмиссии NOx вызывают дополнительные затраты. Так называемые «первичные» методы снижения NOx, связанные с процессом сгорания топлива в цилиндре, включают в себя: совершенствование форсунок, обеспечивающее более однородную смесь; понижение начальных рабочих параметров, например более поздний впрыск; увеличение (до 3) числа форсунок; применение рециркуляции части выхлопных газов и использование водо-топливных эмульсий.
Благодаря применению в форсунках распылителей с уменьшенным объемом «мешочка» производителям дизелей удалось для всех двигателей МС и МС-С обеспечить эмиссию NOx не выше порогового значения 17- г/(кВт-ч). Однако, согласно литературным источникам, при этом несколько увеличивается расход топлива (до 2%).
Задержка впрыска топлива по углу поворота коленчатого вала от ВМТ или добавление в топливо воды снижает наличие NOx в продуктах сгорания. Однако это сопровождается ростом . В первом случае за счет снижения верхней температуры цикла, во втором - в основном за счет расхода теплоты на испарение воды.
Таким образом, первичные методы снижают КПД дизелей; их реализация требует немало усилий и дополнительных расходов и, в конечном счете, в той или иной степени нивелирует эффект от форсировки дизелей.
Вторичные методы снижения NOx направлены на удаление оксидов азота из выпускных газов. Фирма МАН Б и В, в частности, предлагает реакторы SCR, в которых выпускные газы смешиваются с аммиаком перед пропусканием через специальный катализатор при температуре 300...400°С, где оксиды преобразуются в N2 и Н20. Из-за высокой температуры обработка газов осуществляется перед ТК, что усложняет судовую энергетическую установку (СЭУ) и повышает расход топлива.
Таким образом, МОД фирмы МАН Б и В, постоянно совершенствуясь, вплотную приближаются к своему предельному уровню развития, о чем свидетельствует заметное упрощение конструкции машин МС и МС-С (по сравнению с дизелями предыдущих поколений), стабилизация в течение 15 последних лет удельного расхода топлива и ограничения по эмиссии NOx.
В последних модификациях МОД фирма МАН Б и В отказалась от применения распределительного вала, что позволило сократить время реверсирования двигателя на 10 с. СЭУ, оснащённая таким двигателем, по своим маневренным характеристикам приближается к установкам с электродвижением.
Таблица 2
Обобщенные параметры МОД
Параметр 1986-1995 гг 2001-2010 гг.
Среднее эффективное давление, МПа 1,1—1,4 1,4-1,9
Удельный расход топлива (легкого), г/(кВтч) 175-155 До 150
Удельная масса, кг/кВт 19-50 15,0-40,0
Наработка на отказ, ч 103 1,7 3-3,5
Удельная трудоемкость технического обслуживания, чел. • ч/кВт 0,4-0,5 0,15-0,2
Учитывая совершенствование технико-эксплуатационных характеристик судовых малооборотных дизелей (табл. 2), перспектива комплектации энергетических установок проектируемых морских судов дизелями с низкой частотой вращения и передачей мощности непосредственно на гребной винт остаётся по прежнему высокой. В современных СЭУ с МОД и В Г ходовые режимы обеспечиваются на одном сорте тяжелого топлива с минимальными эксплутационными затратами. Дальнейшее совершенствование МОД позволит не только повысить показатели энергоиспользования но и сократить число вспомогательных механизмов.
В настоящей статье использованы материалы фирм изготовителей двигателей, а также материалы, которыми располагает кафедра «Судовых двигателей внутреннего сгорания и технической эксплуатации» Одесской государственной морской академии.
ANALYSIS OF TRENDS IN DEVELOPMENT OF SHIP LOW SPEED DIESELS
S. А. Khanmamedov, V. D. Kaluzhny
Prospects of development of skip energy by anatyzing the main irends and directions of MAN
В & У low speed engines impro veinent are deseribed.
УДК 621.67.035.001.63
С. Г. Яковлев, к. т. н„ доцент,
Н. Ф. Попов, д. т. профессор,
Н. А. Пономарев, к. т. п., доцент, ВГАВТ.
603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЗЕМЛЕСОСА ПРОЕКТА 1-517-03 С БУСТЕРНЫМ ГРУНТОВЫМ НАСОСОМ
В статье рассматривается возможность установки бустерного грунтового насоса осевого типа на землесосе проекта 1 — 517—03. Различные условия эксплуатации (глубина извлечения грунта, крупность песка) землесоса, определяемые Волжским ГБУ ВП и С, учтены при расчете производительности по грунту, увеличение которой составляет от 39 до 59%. Себестоимость извлечения и транспортирования кубометра грунта при этом существенно снижается.
Известно, что для более полного использования технических возможностей ГруН“ тонасосной установки землесосов целесообразно применять бустерные насосы. При этом установка таких насосов позволяет решать задачи повышения как всасывающей, так и гидротранспортирующей способностей землесосов.
Для исследования возможности применения бустерного грунтового насоса осевого типа на землесосе проекта 1-517-03 проведем анализ его рабочих характеристик, с учетом того, что Волжское ГБУ ВП и С предполагает использовать эти землесосы на участках Н. Новгород - Городец и Астрахань - Волгоград.
На участке Н. Новгород - Городец глубина разработки грунта при выполнении разовых работ принимает равной Ягл = 20 м. С этой целью длина всасывающей линии увеличена до ¿вс = 43 м. Длина плавучего грунтопровода ¿пл = 500 м, длина корпусного грунтопровода ¿корп = 78 м. Рассматриваемый участок работы характеризуется песками средней крупности, поэтому примем коэффициент транспортабельности
