CC BY
81
УДК 621.431.74-572 ББК 39.455.94:31.365.34
Д. В. Уппе, С. А. Каргин ВОДОМЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПРЯМОГО СГОРАНИЯ
D. V. Uppe, S. A. Kargin WATER-JET MOTOR OF DIRECT COMBUSTION
Рассматривается конструкция и области применения водомётного двигателя новой конструкции, который способен потеснить двигатели внутреннего сгорания, традиционно применяемые на водном транспорте. Двигатель может использоваться также в тех областях техники, где присутствует необходимость перекачивания негорючих жидкостей.
Ключевые слова: водомётный двигатель, двигатель внутреннего сгорания, себестоимость судна, энергосбережение.
The structure and field of the application of a new design of a water-jet motor are considered in the paper. This engine is capable of competing with internal-combustion engines, which are traditionally used for water transport. The engine can also be applied in the fields of technology, where there is a need for pumping non-flammable fluids.
Key words: water-jet motor, internal-combustion engine, ship self-cost, energy saving.
В настоящее время водометные движители традиционной конструкции успешно эксплуатируются на кораблях и судах различных типов. Однако эти водометы имеют ряд недостатков, основными из которых являются высокие массогабаритные характеристики и сложность конструкции рабочих колес и реверсивно-рулевых устройств. Вследствие этого для их изготовления требуется специализированное высокотехнологичное производство. Кроме того, в случае кавитации и попадания воздуха в рабочее колесо тяговые характеристики водометного движителя существенно ухудшаются.
В качестве привода водометного движителя наиболее часто используются дизельные и бензиновые ДВС, которые, однако, имеют такие недостатки, как громоздкость, шумность, большое количество изнашиваемых частей, что обусловливает относительно небольшой моторесурс и высокую сложность проектирования, изготовления и обслуживания.
Основная цель разработки: снижение массогабаритных характеристик, упрощение конструкции и, соответственно, уменьшение стоимости изготовления, а также повышение КПД. Так как стоимость главной машинной установки, включая оборудование, механизмы систем, вало-проводы и движители, составляет 20-25 % себестоимости судна [1], то наиболее предпочтительным является снижение себестоимости ее изготовления.
В водомётном двигателе прямого сгорания (ВДПС) нет пар трения, т. е. валов, шестерён, поршней и т. д. Сжигание топлива в камере сгорания данного двигателя происходит при сверх-бедной смеси - 40 : 1, за больший, чем в ДВС промежуток времени (0,5-10 с). Это позволяет сжигать топливо полностью, исключая попадание топлива в забортную воду и уменьшая содержание СО в выхлопных газах.
Схема работы двигателя представлена на рис. 1.
Конструктивная особенность ВДПС заключается в том, что он выполнен в виде двух камер - сгорания и расширения. В камере сгорания происходит смесеобразование и нагрев газа сжигаемым топливом, в камере расширения - вытеснение воды горячим газом под давлением с выбросом рабочей жидкости (воды) через сопло. Цикл одного двигателя совершается за два такта: первый такт - нагрев воздуха и выброс воды, второй такт - наполнение расширительной камеры водой и наполнение камеры сгорания воздухом посредством турбонагнетателя.
По причине двухтактности рекомендуется состав энергетической установки из двух комплектов двигателей (расширительная камера, камера сгорания, клапаны) и турбонагнетателя, воздухоохладителя, топливного насоса. Начальное заполнение камеры сгорания воздухом и заряд аккумуляторных батарей осуществляются посредством привода турбонагнетателя от электродвигателя.
кдмерц сгорания нагнетаем ВозЭух
ЧроВень забортной боЭы
Расширительная камера заполнена боЭой
:: : , нагребается бозЗух, Эайление поЭнимается
Уро&ень
забортной бобы
Расширительная комеро заполнена боЭой
Через перепускной клапан напрайляем газ 6 камеру расширения
Уровень
забортной бобы
ВоЗа Вытесняется нагретым газом
Рис. 1. Схема работы водометного двигателя прямого сгорания
Двигатель устанавливается в корпусе судна, при условии механизированной очистки водозаборника, либо в корме на кронштейнах с возможностью подъёма двигателей в процессе эксплуатации, для чистки водозаборника и вывешивания двигателя на время простоя, что исключает обрастание и коррозию деталей в воде.
В части маневренности судна, при установке четырёх двигателей с выводом водоводов как можно ближе к бортам судна, обеспечивается высокая манёвренность судна за счёт разности упора двигателей противоположных бортов. Движение судна задним ходом обеспечивается установкой подвижного водовода, отводящего воду вдоль бортов, против движения судна. Данное исполнение обеспечивает высокую маневренность, т. е. разворот судна на месте.
Конструкция двигателя показана на рис. 2.
Рис. 2. Конструкция двигателя:
1 - турбонагнетатель; 2 - воздухоохладитель; 3 - воздушный трубопровод; 4 - камеры сгорания;
5 - расширительная камера; 6 - перепускной клапан; 7 - водовод; 8 - трубопровод подачи газа на турбонагнетатель; 9 - выхлопной трубопровод; 10 - электродвигатель; 11 - затвор
Принцип работы ВДПС заключается в следующем. В стартовом положении расширительные камеры заполнены водой. Электродвигателем приводим во вращение турбонагнетатель, продуваем и создаём избыточное давление в камере сгорания первого двигателя, далее подаём топливо в камеру сгорания и электрический ток на свечу зажигания.
В момент вспышки открываем перепускные клапаны в камеру расширения и в систему подачи газа на турбонагнетатель. Газ под давлением перетекает в расширительную камеру и на турбонагнетатель, оказывает давление на воду, которая, придя в движение, давит на створки затвора, створки перекрывают проходное сечение затвора, далее вода выталкивается через водовод. Турбонагнетатель под давлением газов из камеры сгорания подаёт воздух в камеру сгорания второго двигателя.
Продуваем камеру сгорания второго двигателя, закрываем выхлопной клапан и поднимаем давление в камере сгорания, закрываем впускной клапан второго двигателя.
После окончания рабочего цикла (выброса воды) первого двигателя закрываются перепускные клапаны, открываются выхлопные клапаны и впускной клапан на камере сгорания первого двигателя. Давление на створки затвора расширительной камеры первого двигателя снижается, и они раскрываются, в результате подпора происходит наполнение водой расширительной камеры с выбросом отработавших газов через выхлопной трубопровод. После подачи топлива и электрического тока на свечу зажигания второго двигателя происходит вспышка, далее -последовательность, описанная выше (повторный цикл).
Для определения преимуществ предлагаемого двигателя целесообразно произвести сравнение с его аналогами по стоимости, расходу топлива и эксплуатационным расходам.
Пример установки двигателей на судно представлен на рис. 3.
Так как наилучшие показатели по расходу топлива и, соответственно, эксплуатационные расходы наблюдаются при использовании комплекса «дизель - винт», проведем сравнение с данной комплектацией.
Сравнение производится со следующими плавсредствами:
- лодка «Казанка 2М» - маломерные суда;
- речной пассажирский теплоход «Москва» - периодическая эксплуатация;
- сухогрузное судно проекта 49 - продолжительная навигация.
Параметры плавсредств и пропульсивных комплексов приведены в табл. 1 [2, 3].
Рис. 3. Установка двигателей на судно
Таблица 1
Параметры пропульсивных комплексов сравниваемых плавсредств
Параметр Казанка 2М Москва 49
Основные размеры, м 5 х 1,6 х 0,8 38,2 х 6,5 х 1,7 140 х 16,5 х 6
Осадка 0,3 1,17 4,7
Скорость, км/ч 38,3 23 21
Силовая установка, л. с. 30 2 х 150 2 х 1 600
Главный двигатель (ГД) Зи2икі БТ30 3Д6 Wartsila 6Ь20
Стоимость оборудования, тыс. руб. 100 2 385 67 992
Наработка за навигацию, ч 672 2 520 5 760
Срок до 1-го капитального ремонта, лет 3,0 7,9 3,5
Удельный расход топлива, г/(л. с. • ч) 400-450 165 140
Расход топлива, л/ч 13,5 49,5 448
Расчёт основных параметров ВДПС выполнен по общеизвестным формулам [4-6], расчёт стоимости принят исходя из ориентировочной массы и по усреднённым ставкам оплаты труда, цен на материалы и оборудование. Полученные параметры сведены в табл. 2-4.
Таблица 2
Ориентировочная стоимость изготовления двигателя для лодки «Казанка 2М»
Узел, сборочные единицы Количество, шт. Масса шт., кг Цена за кг, работа, руб. Цена за кг, материал, руб. Стоимость, руб.
Расширительная камера 0 0,6 X 0,4, 5 = 5 мм 2 22 50 30 3 520
Камера сгорания 0 0,23 X 0,2, 5 = 5 мм 2 5 50 30 878
Клапаны Ду 40 электромагнитные 10 30 000
Затворы Ду 600 2 5 571 100 6 710
Водовод 0 0,15 X 0,6, 5 = 5 мм 2 11 159 60 4 743
Трубы воздушных систем Ду 40, м 3 10 159 60 2 283
Покупное оборудование, т. е. турбонагнетатель, топливная система КИПиА, генератор/электродвигатель 1 комплект 210 134
Итого 97,1 258 268
Таблица 3
Ориентировочная стоимость изготовления двигателя для теплохода «Москва»
Узел, сборочные единицы Количество, шт. Масса шт., кг Цена за кг, работа, руб. Цена за кг, материал, руб. Цена, шт. Стоимость, руб.
Расширительная камера 0 0,8 X 1,17, 5 = 10 мм 4 228 50 30 18 226 72 906
Камера сгорания 0 0,43 X 0,5, 5 = 10 мм 4 51 50 30 4 107 16 426
Клапаны Ду 50 электромагнитные 20 5 000 100 000
Затворы Ду 800 4 15 571 100 10 065 40 260
Водовод 0 0,35 X 2,34, 5 = 5 мм 4 98 159 60 21 493 85 972
Трубы воздушных систем Ду 50, м 7 24 159 60 5 328 5 328
Покупное оборудование, т. е. турбонагнетатель, топливная система КИПиА, генератор/электродвигатель 1 комплект 315 201 315 201
Итого 1 593,5 636 093
Таблица 4
Ориентировочная стоимость изготовления двигателя для сухогруза Я8Б 49
Узел, сборочные единицы Количество, шт. Масса шт., кг Цена за кг, работа, руб. Цена за кг, материал, руб. Цена, шт. Стоимость, руб.
Расширительная камера 0 1,8 X 4,7, 5 = 20 мм 4 4 124 50 30 329 942 1 319 767
Камера сгорания 0 1,29 X 0,1, 5 = 20 мм 4 625 50 30 49 964 199 854
Клапаны Ду 150 электромагнитные 20 3 000 60 000
Затворы Ду 1800 4 150 571 100 100 650 402 600
Водовод 0 1,04 X 9,4, 5 = 10 мм 4 1 197 159 60 262 117 1 048 467
Трубы воздушных систем Ду 150, м 50 1 725 159 60 377 869 377 869
Покупное оборудование, т. е. турбонагнетатель, топливная система КИПиА, генератор/электродвигатель 1 комплект 1 550 000 1 550 000
Итого 26 108,2 4 958 557
На основании расчётных данных проведён анализ экономичности по следующим параметрам (табл. 5):
- расход топлива;
- расход масла;
- масса пропульсивного комплекса;
- стоимость оборудования;
- эксплуатационные расходы до первого капитального ремонта ДВС.
Таблица 5
Сравнительный анализ экономичности, %
Сравниваемые двигатели Мощность ГД, л. с. Расход топлива, кг/ч Расход масла, кг/ч Масса, кг Стоимость оборудования, тыс. руб. Стоимость эксплуатации, тыс. руб. Стоимость общая, тыс. руб.
Лодка «Казанка 2М»
8и7икі ЭТ30 30 13,5/76% 3,18/ 0,0625 /98% 54 /_80% 97/ 100 / 158% 702/77% 164/ 802/47% 422/
ВДПС 30 0,001 / 258,27/
Речной пассажирский теплоход «Москва»
3Д6 300 49,5 / 1% 045 /98 % 0,01/ 5175/69% 1594/ 2385 /тз% 24395 /,% 26780 /8%
ВДПС 300 49,75/ 636,1/ 23943/ 24579/
Сухогрузное судно пр. ЯЗБ 49
Wartsila 6Ь20 3 200 448 /_44% 647/ 13/92% 0,1/ 26490 /1% 26108/ 67992 /93% 4958,6/ 217178 /_43% 311337/ 285170 /_11% 316296/
ВДПС 3 200
Эксплуатационные расходы рассчитаны при следующих ценах на топливо и масло:
- бензин А-76: 25,7 руб. за литр;
- дизельное топливо ДТ Л-0,5-62: 24,05 руб. за литр;
- масло Лукойл М10Г2К: 65 руб. за литр.
Выводы
1. При применении предлагаемого двигателя на маломерных судах, в частности на лодке «Казанка 2М», наблюдается большая экономия в процессе эксплуатации с несколько большими начальными затратами.
2. При применении предлагаемого двигателя на речном пассажирском теплоходе «Москва» (периодическая эксплуатация) наблюдается экономия на всех этапах применения.
3. При применении предлагаемого двигателя на сухогрузном судне проекта ЯЗБ 49 (продолжительная навигация) отмечается повышенный расход топлива. Это означает, что применение предлагаемого двигателя возможно в тех случаях, когда цена пропульсивной установки имеет решающее значение.
На данный двигатель 15.11.2010 г. подана заявка на получение патента на изобретение. По результатам рассмотрения заявки получено заключение о выдаче патента. Приоритет установлен по дате подачи заявки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шамрай Ф. Вопросы обеспечения конкурентоспособности судостроения // Информационный морской журнал. - 2011. - № 1 (11). - С. 9-21.
2. Спецификация судна 49-ЬЫРР-003/1. - Морское инженерное бюро, 2010.
3. Спецификация. Общесудовая и корпусная часть. ВПТМ.360203.001. - ЗАО «Астрамарин».
4. СивухинД. В. Общий курс физики. - М.: Изд-во МФТИ, 2005.
5. РД 5.76.038-83. Методика гидравлических расчётов судовых разветвлённых трубопроводов, 1985.
6. Юрьев А. С. Справочник по расчётам гидравлических и вентиляционных сетей. - СПб.: АНО НПО «Мир и семья», 2001. - 1151 с.
Статья поступила в редакцию 17.02.2012
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Уппе Дмитрий Валерьевич - ООО «Каспийская энергия Проекты»; специалист по планированию и отчетности; dmitriyuppe@rambler.ru.
Uppe Dmitry Valerievich - Llc. "Caspian Energy Projects"; Specialist on Planning and Reporting; dmitriyuppe@rambler.ru.
Каргин Сергей Александрович - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук; доцент кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; serjxxx@inbox.ru.
Kargin Sergey Aleksandrovich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science; Assistant Professor of the Department "Shipbuilding and Energy Complexes of Sea Technological Equipment"; serjxxx@inbox.ru.
