Особенности рабочего процесса, эксплуатация и ресурсные возможности дизель-генераторов альтернативного типа

DOI: 10.24143/2073-1574-2018-4-59-65 УДК 621.436:629.5

В. Н. Кучеров

ОСОБЕННОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА, ЭКСПЛУАТАЦИЯ И РЕСУРСНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРОВ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ТИПА

Объектом исследования являются приводные двигатели нового технического направления, которые именуются необслуживаемыми, в частности к ним относятся морские дизели фирмы MAN типа D2842LE различных модификаций и мощностей, имеющие V-образное автотракторное конструкционное исполнение. Проведён анализ энергоэкономических, мас-согабаритных показателей, конструкционных решений, особенностей эксплуатации двигателей иной технической ориентации. Рассмотрен анализ работоспособности, ресурсных показателей данных двигателей и целесообразности их использования на судах различного типа. Отмечены основные энергетические, экономические характеристики, степень форсирования рабочего процесса дизеля MAN D2842LE, а также особенности конструкции, технического обслуживания и эксплуатации. Приведены результаты длительной эксплуатации, проанализированы конструкционные и эксплуатационные преимущества и недостатки. Основными преимуществами данных двигателей являются простота конструкции и эксплуатации, высокая работоспособность всех деталей и элементов в пределах назначенного межремонтного периода, способность работать при малых нагрузках без характерных для этих режимов ухудшений качества процессов сгорания. Для своей частоты вращения двигатель имеет низкий расход топлива, смазочного масла и не требователен к особой чистоте и качеству топлива в условиях морских бункеровок. Важным достоинством этих дизелей являются малые габариты и масса. По совокупности указанных факторов, учитывая реальность принципа необслуживаемости, двигатель целесообразно использовать на промысловых и других судах, где лимитированы свободные объёмы машинных отделений и высока занятость экипажа. Несмотря на нетрадиционность конструкции и эксплуатации, данные дизели доказали свою эффективность и возможность использования на морских судах.

Ключевые слова: дизельный двигатель, дизель-генератор, необслуживаемый двигатель, техническое обслуживание, ресурсные показатели, дизельное топливо, топливная аппаратура.

Введение

На современных судах широкое применение находят форсированные дизель-генераторы классического исполнения, приспособленные для работы на тяжёлых топливах одного сорта с главными малооборотными дизелями.

Наряду с традиционными дизелями наблюдается тенденция к использованию дизель-генераторов иной идеологии: необслуживаемого автотракторного типа, в частности дизель-генераторы фирмы MAN типа D2842LE мощностью 421 кВт при 1 500 мин1 [1]. Данные двигатели установлены в качестве дизель-генераторов и приводных двигателей для винтовых грузовых насосов на танкерах типа «Георгий Фройер» дедвейтом 5 000 т судоходной компании «Дельта» в количестве четырёх единиц. Дизели имеют диаметр цилиндра 128 мм, ход поршня 142 мм, число цилиндров 12, исполнение V-образное. Назначенный фирмой ресурс составляет 50 тыс. ч.

По частоте вращения двигатель относится к разряду высокооборотных (ВОД), но в ряде источников [2] рассматривают и группу ВОД, занимающую место между классами среднеоборотных двигателей (СОД) и ВОД, При этом значение частоты вращения для этой группы оценивается примерно в 1 000-1 500 мин1.

Несмотря на повышенную оборотность, данный дизель имеет среднюю скорость поршня Cm только 7,1 м/с при малом отношении хода поршня к диаметру цилиндра (S/D = 1,11) и может относиться к классическому разряду СОД.

Конструкционное исполнение и результаты эксплуатации дизелей MAN D2842LE

Дизель имеет изобарные турбонагнетатели по одному на каждую из V-образных групп цилиндров. Уровень форсирования двигателя невысок. Рассчитанное среднее эффективное давление Рте составляет 1,54 МПа. Обобщённым показателем степени форсирования принято счи-

тать произведение Рте на Ст, при делении которого на коэффициент тактности г получаем величину, пропорциональную поршневой мощности в кВт/м2. Но этот показатель относится к параметрам на фланце отбора мощности. Уровень механической, динамической и тепловой напряжённости двигателя будут определять индикаторные процессы, протекающие в цилиндре по выражению К = Рт Ст / г, где / указывает на показатели индикаторного процесса.

Данный параметр, определяющий степень форсирования рабочего процесса, невысок в сравнении с многими современными СОД и не может создавать повышенных механических и динамических нагрузок [3]. Тепловая напряжённость цилиндропоршневой группы (ЦПГ), связанная дополнительно с условиями охлаждения, не может быть чрезмерной в силу низких термических сопротивлений тонких стенок деталей ЦПГ.

Дизель хорошо согласован с изобарным турбокомпрессором и при очень небольшом перекрытии клапанов в 51 п.к.в. имеет чистый выхлоп на всех режимах работы. Двигатель имеет степень сжатия 15,5, камеру сгорания в поршне, впрыск непосредственный. Форсунка с четырьмя соплами, давление начала подачи - 22,0 МПа, удельный эффективный расход дизельного топлива - 197 г/кВт-ч. Конструкционно дизель не имеет лючков в картере, установлен на высоком фундаменте типа колодца, над которым располагается поддон двигателя, и через него возможен ограниченный доступ к кривошипно-шатунному механизму, подшипникам для их ревизии, разборки мотылевого соединения при выемке поршней.

В процессе полной ревизии цилиндров (моточистки) дизель переворачивают или укладывают набок. На рис. 1 показано общее конструкционное исполнение двигателя D2842LE и его некоторые детали и элементы.

а

Рис. 1. Общий вид двигателя Б2842ЬБ в разрезе: а - продольный разрез: 1 - всасывающий трубопровод маслонасоса; 2 - масляные насосы; 3 - редукционный клапан; 8 - каналы подвода масла к шейкам коленчатого вала; 9 - каналы подвода масла к рамовым подшипникам; 10 - каналы подвода смазки к мотылевым подшипникам; 15 - канал для смазывания элементов топливного насоса высокого давления; 16 - пробка для спуска масла; 17 - маслопроводы для смазывания подшипников турбонагнетателя

б

Рис. 1. Окончание. Общий вид двигателя D2842LE в разрезе: б - поперечный разрез: 4 - охладитель масла;

5 - масляный фильтр; 6 - байпасный масляный клапан; 7 - трубопровод распределения масла (галерея);

11 - канал подвода смазки к подшипникам верхней головки шатуна;

12 - каналы подачи масла к подшипникам распределительного вала;

13 - каналы подвода масла к клапанному приводу;

14 - сопловые наконечники для подачи масла на охлаждение поршней и смазывания кулачков;

17 - маслопроводы для смазывания подшипников турбонагнетателя

На двигателе отсутствуют индикаторные краны, нет контроля температуры выхлопных газов, не предусмотрено валоповоротное устройство. Втулки цилиндров - тонкостенные гильзы простой конструкции. Поршень имеет три поршневых кольца, одно из них маслосъёмное. Поршень охлаждается маслом по принципу струйной телескопии. Клапаны газораспределения не имеют механизмов для принудительного вращения. Все подшипники тонкостенные многослойные на основе свинцовистой бронзы с разделительным слоем, антифрикционным и прира-боточным покрытием. Полная переборка дизеля при техническом обслуживании рекомендована заводом через 20 тыс. ч или 4 года эксплуатации судна. Заданный удельный расход масла определён в 1,07 г/кВт-ч. На всех дизелях фактический расход масла всегда был значительно ниже. Следует отметить, что топливная аппаратура и сам дизель хорошо адаптированы к топливам типа ТСМ (топливо судовое маловязкое) по ТУ 38.101567-87 и его предварительная очистка осуществлялась фильтрованием на элементах с бумажной основой при отсутствии в системе сепаратора топлива. Остальное обслуживание касается чистки и замены топливных, масляных и воздушных фильтров. После первых четырёх лет эксплуатации была выполнена ревизия клапанов газораспределения с демонтажем цилиндровых крышек на Славянском СРЗ. Зеркало цилиндров оказалось в идеальном состоянии со следами хона. Клапаны газораспределения имели удовлетворительное состояние, но потребовалась их притирка. В межремонтный период не предусмотрен профилактический осмотр деталей кривошипно-шатунного механизма и подтяжка крепёжных соединений. Затяжка подшипниковых узлов производится по определённой схеме, шплинтовка не предусмотрена. Работы по валовой группе выполнить не удалось из-за отсутствия данных по техническому обслуживанию элементов двигателя. После наработки 33,0 вместо 20,0 тыс. ч в период ремонта судна в п. Пусан (республика Корея) на специализированном участке фирмы «Caterpillar» было выполнено полное техническое обслуживание. Первое поршневое кольцо, трапецеидальное, упругость не потеряло, абсолютный износ - 0,28 мм, удельный износ - около 0,008 мм/тыс. ч. Второе поршневое кольцо скребкового типа имело

абсолютный износ 0,15 мм и скорость изнашивания около 0,004 мм/тыс. ч; зазор в канавках составил 0,09-0,10 мм, что незначительно превышает верхнее установочное значение. Третье поршневое кольцо, маслосъёмное с эспандером, износилось по толщине на 0,12 мм, ширина маслосъёмной кромки увеличилась с 0,4 до 0,5 мм. Зазоры в канавках составили 0,04-0,05 мм и находятся в пределах установочного значения. Учитывая толщины противоизносных покрытий на поршневых кольцах, можно считать, что их ресурс, кроме первого кольца, не был исчерпан. Износы втулок по зеркалу цилиндра незначительны и не достигают предельного значения -0,15 мм. Поршневая группа сохранила удовлетворительную работоспособность. Износ шеек не превысил 0,02 мм, нарушения геометрии шеек не выявлено. Заданный удельный расход масла не возрос после наработки свыше 20-30 тыс. ч. Назначенный межремонтный период работы форсунок в 5 тыс. ч достижим, плунжерные пары блочного топливного насоса высокого давления в состоянии отработать 20 тыс. ч. В плане-графике технического обслуживания дизеля предусмотрена замена смазочного масла и фильтров через 200 ч при использовании всесезонно-го масла типа «Mobilgard 412». Для наработки 400 ч между заменами требуется использовать масла более высокого качества (Super high performance Dieseloils). Применение всесезонного масла в условиях машинного отделения неоправданно, и взамен его использовались масла высокого качества, такие как «Shell Gadinia 40» и им подобные, включая российские масла М-14-Г2 (цс). Двигатель не имеет высокой форсировки рабочего процесса и параметров тепловой и механической напряжённости соответственно. В условиях эксплуатации дизель-генератор может работать при нагрузках, близких к номинальным, только при работе грузовых насосов, поскольку нагружен генератором мощностью 240 кВт, а высокая установочная мощность в 421 кВт требуется для преодоления пускового момента приводного грузового насоса мощностью 139 кВт, который нагружается от дизеля через шинно-пневматическую муфту. Более негативным явлением для дизелей являлась низкая (до 20 %) нагрузка при стоянке танкера без грузовых операций. Учитывая данные факторы, был увеличен период между заменами масел с 200 до 300 ч, а затем до 400 ч, в зависимости от результатов лабораторных анализов. В процессе наблюдений за состоянием отработавших масел дважды обнаруживалось загрязнение масла дизельным топливом. Разжижение картерного масла дизельным топливом возможно на длительных низких нагрузках дизеля и при плохом состоянии топливной аппаратуры. При должном контроле за топливной аппаратурой, давлением масла и даже внешними признаками присутствия топлива в масле практически исключается потеря рабочих свойств масла. По 12-15 анализам масел, отработавших 300 ч, при допускаемом загрязнении 2,6 % и остаточной щелочности 5-6 мг КОН/г фактическая загрязнённость составляет от 0,18 до 0,31 % при среднем значении 0,27 % с остаточной щелочностью 6,9-7,5 мг КОН. Средняя вязкость масла за период наблюдения по всем дизелям составила 13,94 м2/с без выхода за верхний или нижний браковочный предел для масла SAE-40. Причинами единичного запредельного загрязнения масла на одном из указанных вспомогательных дизель-генераторов типа D2842LE могло послужить низкое качество топлива и повышенное содержание в нём серы, а также неудовлетворительное состояние форсунок и топливной аппаратуры. Первый анализ с повышенной загрязнённостью 1,27 %, но в пределах допускаемого значения, отмечен при наработке форсунок 6 900 ч, а затем загрязнённость после замены масла снизилась до 0,62 % при наработке 7 950 ч. Запредельное значение механических примесей в количестве 2,745 % было зафиксировано после отработки форсунками 9 900 ч вместо рекомендованных 5 000 ч. После замены форсунок загрязнённость картерного масла понизилась до 0,24-0,41 %. Состояние ЦПГ не вызывало сомнений ввиду малой наработки после моточистки. Учитывая, что отработавшие масла имели среднюю загрязнённость 0,27 %, которая в 10 раз ниже допускаемой при достаточном запасе остаточной щелочности и стабильной вязкости, можно считать возможным и целесообразным выполнять замену масел марки «М-14-Г2 (цс)» через 400 ч работы при обычном эксплуатационном контроле за состоянием масла со стороны машинной команды. Имеется замечание к масляной системе двигателя: датчик аварийной остановки двигателя по низкому давлению масла установлен не в галерее раздачи масла после фильтра, а перед фильтром тонкой очистки, что не отвечает однозначным требованиям по защите двигателя. В условиях жёсткого отношения к техническому состоянию деталей при сервисном ремонте за рубежом через каждые 20 тыс. ч следует ожидать полной замены деталей ЦПГ, топливной аппаратуры, подшипников коленчатого и распределительного валов, головных подшипников

с шатунами, части клапанов газораспределения, подшипников турбонагнетателя, хотя эти замены не всегда оправданы. В дальнейшем профилактический агрегатный ремонт этих дизелей был освоен специализированной бригадой одной из фирм в г. Находка. По мере накопления опыта эксплуатации качественный ремонт в частых случаях выполнялся силами опытных квалифицированных членов машинных команд этих судов. Проведённые после первого технического обслуживания моточистки показали возрастающую скорость кавитационных повреждений на стороне охлаждения всех цилиндровых втулок четырёх дизелей. Опасные разрушения образуются только в плоскости действия нормальной силы и более интенсивны со стороны действия этой силы на такте горение-расширение. Менее значительная кавитация другого типа: «в щели». Она наблюдается в зазоре у посадочного бурта гильзы цилиндра (рис. 2).

Рис. 2. Характер кавитационных разрушений на гильзах цилиндров

В дальнейшем наработка до вынужденной ревизии отдельных цилиндров стала сокращаться до 18, 10, 5 тыс. ч по причине сквозных кавитационных повреждений на очень тонких гильзах цилиндров. В связи с этим было изготовлено валоповоротное устройство с обязательным проворачиванием двигателей перед стартерным запуском из центрального поста управления.

Практически через два плановых ремонта (40-50 тыс. ч) требуется замена моноблока цилиндров либо установка цилиндровых втулок ремонтного размера для уменьшения амплитуды колебаний гильз посредством более плотной их посадки в уплотнительных поясах. Для ослабления кавитационных повреждений следует заказывать гильзы цилиндров с хромированным покрытием на стороне охлаждения, вводить специальные присадки в охлаждающую воду или использовать тосолы в качестве охлаждающей среды.

К настоящему времени дизели отработали около 100 тыс. ч. Однако из базовых деталей осталось в работе 3 коленчатых вала нормального или первых ремонтных размеров, цилиндровые крышки, холодильники и газотурбонагнетатели, поскольку при ремонтах заменялись многие детали ЦПГ и шатуны с головными подшипниками.

Заключение

Преимуществами двигателей типа D2842LE являются простота конструкции и эксплуатации, высокая работоспособность всех деталей и элементов в пределах назначенного межремонтного периода и возможного его превышения на 20-30 %, простота и высокий межремонт-

ный период топливной аппаратуры, способность двигателя работать при малых нагрузках без характерных для этих режимов ухудшений качества процессов сгорания, нагарообразования, смывания масляной плёнки на втулках. Для своей оборотности двигатель имеет низкий расход топлива и смазочного масла и не требователен к особой чистоте и качеству топлива в условиях морских бункеровок. Особым преимуществом дизелей типа D2842LE являются малые габариты и масса. По совокупности указанных факторов, с учётом реальности принципа необслуживаемости, двигатель рационально использовать на промысловых и других судах, где лимитированы свободные объёмы машинных отделений и высока занятость экипажа. Несмотря на нетрадиционность конструкции и эксплуатации, данные дизели доказали свою работоспособность и возможность использования на морских судах. Что касается экономической целесообразности их широкого применения, то в каждом конкретном случае требуется провести сравнительный анализ затрат на основе ресурсных показателей и стоимости запасных частей дизелей традиционной и альтернативной конструкции.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. MAN-Marine Diesel Engine for commercial shipping. Сервисное рук-во для дизелей коммерческих судов. URL: https: //www.engines.man.eu/global/en/marine/engines-for-commercial-shipping/service/Service. html (дата обращения: 15.05.2018).

2. КонксГ. А. Мировое судовое дизелестроение. Концепции конструирования, анализ международного опыта: учеб. пособие. М.: Машиностроение, 2005. 512 с.

3. Кучеров В. Н. Ресурсные возможности СОД типа L28/32A-F фирмы MAN-B&W по результатам длительной эксплуатации // Проблемы транспорта Дальнего Востока, 2013. С. 167-169.

Статья поступила в редакцию 18.07.2018

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Кучеров Владимир Никанорович - Россия, 690059, Владивосток; Морской государственный университет имени адмирала Г. И. Невельского; канд. техн. наук; профессор кафедры судовых двигателей внутреннего сгорания; Nadezkin@msun.ru.

V. N. Kucherov

CHARACTERISTICS OF OPERATIONAL PROCESS, EXPLOITATION AND RESOURCES OF ALTERNATIVE DIESEL GENERATORS

Abstract. The drive diesel engines of the new technological trend that are called unserviceable have been taken as a research subject. Generation of MAN D2842LE type diesel engines of different modifications and capacity have V-shaped autotractor construction. There has been done analysis of energy saving and mass parameters, construction features and operational characteristics of diesels with different technical orientation. There has been analysed durability, service life, feasibility of using them on board the ships of different types. There have been considered main economic and power data, rate of speeding up working process of MAN D2842LE type diesel engine, as well as specific features of construction, maintenance works and service. There have been given the results of continuous exploitation, analysed structural and operational advantages and weak points. General advantages of such type engines are simplicity of construction, easy service, increased reliability all elements during specified overhaul time, possibility to work at low load without degradation of combustion processes, which are typical for these regimes. As for its rotation frequency, diesel has low fuel and lub.oil consumption, without special demands to fuel quality and purity at sea bunkering. The important advantage of this type of diesel is small dimensions and mass. Assuming all factors with real possibility to have a mode of unattended diesel in service, it is reasonably to use the diesel engine on fishing and other ships with limited space of engine room and many other works for engine crew. Despite of non-traditional structure and operation, these diesels have justified their operational efficiency and possibility to be used on board sea-going ships.

Key words: diesel engine, diesel-generator, unattended diesel, technical service, durability, diesel fuel, fuel equipment.

REFERENCES

1. MAN-Marine Diesel Engine for commercial shipping [Servisnoe rukovodstvo dlia dizelei kommerch-eskikh sudov]. Available at: https://www.engines.man.eu/global/en/marine/engines-for-commercial-shipping/ service/Service.html (accessed: 15.05.2018).

2. Konks G. A. Mirovoe sudovoe dizelestroenie. Kontseptsii konstruirovaniia, analiz mezhdunarodnogo opy-ta: uchebnoe posobie [International ship diesel construction. Concepts of construction, analysis of international experience: teaching guide]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2005. 512 p.

3. Kucherov V. N. Resursnye vozmozhnosti SOD tipa L28/32A-F firmy MAN-B&W po rezul'tatam dlitel'noi ekspluatatsii [Resource possibilities of Official Documents System type L28/32A-F of MAN-B&W company, according to the results of continuous operation]. Problemy transporta Dal'nego Vostoka, 2013. Pp. 167-169.

The article submitted to the editors 18.07.2018

INFORMATION ABOUT THE AUTHOR

Kucherov Vladimir Nikanorovich — Russia, 690059, Vladivostok; Maritime State University named after Admiral G. I. Nevelskoy; Candidate of Technical Sciences; Professor of the Department of Ship Internal Combustion Engines; Nadezkin@msun.ru.