Конспект лекции Режим пуска и переходный режим разгона и прогревания

5

Гл. 9. Режимы работы двигателей

Режим пуска и переходный режим разгона и прогревания

Пуск двигателя с последующим выводом на полную нагрузку

Пуск судовых двигателей осуществляется сжатым воздухом, быстроходные двигатели обычно пускаются электростартером.

Процесс пуска условно можно представить в виде следующих последовательных стадий:

• Интенсивное раскручивание вала двигателя под действием подаваемого в цилиндры сжатого воздуха до минимальных оборотов, при которых создаваемые в цилиндрах давления и температуры сжимаемого воздуха будут достаточны для самовоспламенения и последующего сгорания впрыскиваемого топлива;

• Впрыск топлива и его самовоспламенение в одном или более цилиндрах и продолжение раскручивание вала двигателя на продолжающем поступать воздухе и сгорающем топливе (смешанный пуск);

• Переход двигателя на работу на топливе и выход на заданный режим.

Движущий момент, создаваемый пусковым воздухом М_дв, необходим для преодоления:

• момента инерции масс движущихся частей двигателя, валопровода и гребного винта и присоединенной массы воды, увлекаемой вращающимся винтом М_ин

• сил трения М_тр и сопротивления винта М_в

М_дв = М_ин + М_тр + М_в.

Кроме того, необходимо затратить работу на сжатие в цилиндрах воздуха для обеспечения последующего воспламенения топлива.

Пусковая система включает установленные на каждом цилиндре пусковые клапаны и воздухораспределительные золотники, приводимые от кулачкового вала. Задача золотников состоит в том, чтобы обеспечить открытие и закрытие пусковых клапаны в необходимые моменты времени. Пусковые клапаны открываются при 2-6° п.к.в после прихода поршня в ВМТ, и закрываются через 90-110°. Более подобно конструкция пусковой системы изложена в главе 13, Том 1.

Судовые двигатели пускаются при давлении пускового воздуха 30-10 бар. С падением давления воздуха в баллонах скорость раскручивания снижается, это наглядно показано на графике рис. 9.5, полученным проф. B.C. Гавриловым на двигателе Зульцер RD-76

Пуск, как и маневрирование, сопряженное с остановками, реверсированием и сменой нагрузок, относится к неустановившимся и напряженным режимам, на которые приходится наибольшее число аварийных повреждений двигателей.

Рис. 9.5. Влияние давления пускового воздуха на скорость раскручивания вала двигателяНапряженность переходных режимов определяется тем, что в процессе смены режима (нагрузки и частоты вращения) резко изменяется рабочий процесс, меняются условия нагрева и охлаждения цилиндров и поршней. Напряжения в деталях ЦПГ и КШМ растут с увеличением скорости смены режима и становятся наибольшими при пуске холодного двигателя, резком выведении его на полную нагрузку и внезапной остановке с полного хода. В этих условиях элементы конструкции подвергаются деформации и интенсивному изнашиванию, меняются зазоры и натяги в сопряжениях. В деталях, испытывающих действие высоких температур, развиваются термоусталостные явления, приводящие к образованию трещин. При пуске холодного двигателя в цилиндрах создаются неблагоприятные условия для самовоспламенения топлива. Сгорание его сопровождается чрезмерно высоким давлением и большой скоростью его нарастания. Это приводит к увеличению механических напряжений в деталях ЦПГ и КШМ, возникают большие ударные нагрузки в подшипниках.

Высокое давление сгорания p_z возникает и при пуске прогретого двигателя, если он недостаточно раскручивается на воздухе, и для создания необходимых ускорений даются большие подачи топлива. Так, при автоматическом пуске двигателя Зульцер RD 76 по максимальной программе, предусматривающей вывод двигателя сразу же после пуска на режим полного хода, давление в цилиндре достигает 8 МПа, а скорость нарастания давления при сгорании до 2 МПа на град, п.к.в. Столь жесткие условия пуска и разгона двигателя до полной частоты вращения можно допускать лишь в исключительных (аварийных) ситуациях. В нормальных условиях пуска топливная рейка должна быть установлена в положение малых подач (h_a< 0,5п_{а ном}) и разгон двигателя следует осуществлять постепенно. Темп увеличения цикловой подачи топлива выбирать таким, чтобы обеспечить достаточно низкую скорость роста температур деталей ЦПГ.

Жесткая работа двигателя при пуске (особенно среднеоборотных) возможна также при использовании тяжелых топлив, для которых характерны худшие распыливание, испарение и замедленное сгорание. Поэтому при низких температурах рекомендуется запускать такие двигатели на дизельном топливе.

Перед пуском двухтактных двигателей с системой наддува при постоянном давлении для обеспечения воздухоснабжения необходимо запустить электровоздуходувку.

Надежное самовоспламенение топлива в цилиндре определяется температурой сжатого воздуха, которая зависит от температуры окружающей среды, теплового состояния двигателя, состояния поршневых колец и пусковой частоты вращения (средней скорости поршня). Поэтому чтобы обеспечить легкий пуск, двигатель необходимо предварительно прогреть, прокачивая через него горячую воду, отбираемую обычно от системы охлаждения вспомогательных дизелей. При прогреве снижается износ цилиндров в пусковой период, уменьшается коррозирующее действие кислот, образующихся при сгорании топлива.

Уменьшение потерь теплоты в стенки цилиндра способствует росту температур и давлений в конце сжатия и сокращению периода индукции, в связи с чем значительно снижается давление в цилиндре при первой вспышке. Это снижает механическую напряженность деталей цилиндра и улучшает работу подшипников коленчатого вала.

При работе холодного двигателя смазка подшипников и других узлов трения недостаточна, поскольку масло не успевает прогреваться, и высокая вязкость затрудняет его движение. Большая вязкость масла обусловливает также увеличение сопротивления прокручиванию двигателя в пусковой период. В связи с этим необходимо перед пуском двигателя подогревать смазочное масло в циркуляционной цистерне или картере до температуры 40-45°С.

Переходные режимы разгона и прогревания

Детали ЦПГ (поршень, крышка и втулка) при переходных режимах испытывают высокие тепловые нагрузки, под влиянием которых в них возникают термические напряжения, деформации, а иногда (при значительных перегрузках и частых сменах режимов) термоусталостные разрушения.

При пуске и в следующий за ним период разгона и прогрева двигателя интенсивно повышается температура его деталей (в первую очередь деталей ЦПГ) и охлаждающей воды, снижается вязкость смазочного масла и изменяются зазоры между сопрягаемыми поверхностями. Неравномерность прогрева деталей обусловливает появление в них высоких температурных градиентов, зависящих от скорости прогревания, которая определяется скоростью изменения температуры деталей по времени δ_t/δ_τ. Наиболее интенсивный прогрев (максимум δ_t/δ_τ) происходит в зонах тепловоспринимающих поверхностей камеры сгорания и в местах движения основного потока теплоты. В поршне в первую очередь прогревается головка, юбка же разогревается вяло, накапливая теплоту главным образом в процессе теплопроводности. Поэтому колебания температуры юбки, как и нижней части втулки, с изменением режима работы мало заметны. Независимо от размеров и мощности двигателя наиболее интенсивный рост температуры деталей отмечается в начальный период их прогрева, особенно в течение 40-60 с после первой вспышки в цилиндре. В это время температурные градиенты (перепады температур по толщине или в радиальном направлении) и термические напряжения достигают максимума. Затем температурное поле выравнивается, что сопровождается снижением напряжений. Дальнейшее развитие температурных градиентов и напряжений определяется временем прогревания и характером изменения нагрузки - чем больше нагрузка, на которую выводится двигатель после пуска, тем интенсивнее он прогревается и тем больше рост температур.

При прогреве холодного двигателя после пуска меняются зазоры между деталями, и происходит их деформация, особенно цилиндровых втулок мощных дизелей. Внешне это проявляется в появлении воды в контрольных отверстиях, выводящих ее из зоны уплотнения втулки. Существенно изменяются зазоры между поршнем и втулкой. Их неравномерное и неодновременное прогревание приводит к тому, что поршень расширяется быстрее втулки и при ускоренном прогреве зазор между ними в начальный период может существенно сократиться. Уменьшение зазора, деформация зеркала цилиндра и недостаточное поступление масла на смазывание цилиндра вследствие высокой вязкости являются причинами интенсивного изнашивания трущихся поверхностей. По мере прогревания и расширения втулки и рубашки цилиндра зазор несколько увеличивается и стабилизируется.

При прогревании вспомогательного двигателя следует избегать длительной работы на холостом ходу, так как этот режим из-за низкого теплового состояния, плохого распыливания и сгорания топлива характеризуется сильным нагарообразованием, способствующим интенсивному изнашиванию цилиндров.

Разница между максимальными уровнями температуры деталей ЦПГ, как и темп ее увеличения, во многом зависят от начального теплового состояния двигателя. Предварительный прогрев перед пуском обязателен для всех двигателей и, в первую очередь, для мощных МОД, которые из-за больших размеров и значительной тепловой инерции во время пуска-разгона испытывают высокие тепловые нагрузки.

После длительной стоянки судна в порту или на рейде двигатель нагружают ступенями, т. е. после пуска он в течение некоторого времени работает на холостом ходу или на малой нагрузке, которую затем постепенно доводят до полной. Продолжительность работы на отдельных ступенях нагрузки зависит от типа, размеров, мощности и степени форсировки двигателя. Мощным МОД, имеющим большие массы металла, требуется для прогрева больше времени, чем меньшим среднеоборотным. Для последних, согласно исследованиям фирмы SEMT, оптимальное время прогрева 30-40 мин, из которых 8 мин составляют прогрев на холостом ходу, 2 мин - с медленным повышением нагрузки до 30% и 20-30 мин - с повышением нагрузки до полной.

При наличии систем дистанционного автоматического управления в них обычно заложены программы прогревания:

экстренный вывод под нагрузку (60-90 с);

ускоренный вывод под 100%-ную нагрузку (12-20 мин); нормальный вывод под нагрузку (1,5-2 ч).

Остановка двигателя

Наряду с режимом прогрева не менее опасен и переходный режим резкого снижения нагрузки или внезапной остановки двигателя. При резком сбросе нагрузки и, особенно, при остановке двигателя, до этого работавшего в режиме полного хода, в нем, как и при прогреве, появляются высокие тепловые напряжения вследствие неравномерного остывания деталей ЦПГ. Наибольшие напряжения наблюдаются в первый период остановки двигателя, так как именно для этого периода характерна наибольшая скорость падения температуры нагретых поверхностей.

Для уменьшения напряжений, возникающих при остывании горячего двигателя, необходимо заблаговременно, до полной остановки двигателя, снижать развиваемую им мощность. Мощные МОД рекомендуется переводить на режим среднего, затем малого хода за 30-60 мин до начала маневров.

Литература

1.Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 1./ И.В.Возницкий, А.С.Пунда - М.:МОРКНИГА, 2010.- 260 с. Стр. 216-221.

2.Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 1./И.В.Возницкий, - М.:МОРКНИГА, 2007.- 282 с. Стр. 272-275.

3.Возницкий И. В. Судовые дизели и их эксплуатация / И.В.Возницкий, Е.Г.Михеев - М.:Транспорт, 1990. - 360 с. Стр.292-293.