Основные направления развития судовой теплоэнергетики. В настоящее время и на перспективу дизели остаются практически единственным типом главных и вспомогательных двигателей судов речного флота.
Развитие судовой теплоэнергетики направлено главным образом на дальнейшее повышение цилиндровых и агрегатных мощностей дизелей путем увеличения степени форсирования; на обеспечение большей надежности благодаря совершенствованию конструкций, использованию новых материалов, улучшению качества изготовления отдельных деталей и узлов, снижению шума, вибрации, токсичности выпускных газов. Значительные резервы повышения технического уровня дизелей заключены в снижении расходов по их эксплуатации при использовании более дешевых сортов топлива, интенсификации процессов смесеобразования и сгорания топлива, увеличении степени использования теплоты выпускных газов и охлаждающей воды, внедрении наиболее эффективных средств автоматизации и совершенствовании методов эксплуатации СЭУ.
Создание высокофорсированных дизелей связано с проведением исследований по доводке систем наддува и топливоподачи, организации процесса сгорания больших порций топлива в малом объеме. Особое внимание при этом уделяется решению проблем теплонапряженности, так как с увеличением степени форсирования (удельной мощности) возрастает нагрузка на детали дизеля.
Для упрочнения деталей корпуса перспективным является применение решетчатых фундаментных рам, представляющих собой каркас из отдельных балок, которые расположены по направлению действия максимальных нагрузок. Прогрессивным является также применение сварных фундаментных рам и блоков цилиндров. Проводятся работы по совершенствованию конструкций поршней, которые смогут работать при повышенных температурах и давлениях цикла с уменьшенными износами и потерями на трение.
Поршни некоторых высоконапряженных дизелей делают составными с трубчатым змеевиком для охлаждения, вмонтированным в стальную головку. Для уменьшения износа пары поршень — цилиндр шатуны у ряда дизелей сделаны со сферической верхней головкой, что обеспечивает вращение поршня при работе дизеля. Приобретают практическое значение конструкции поршней, с помощью которых обеспечивается переменная степень сжатия. Для повышения износостойкости втулки цилиндров покрывают молибденом, карбидом вольфрама и другими материалами. Для повышения надежности работы в высокофорсированных дизелях с большими диаметрами цилиндров применяют толстостенные втулки с гиперболическими каналами охлаждения. Есть варианты конструкций цилиндропоршневой группы без поршневых колец. Уплотнение таких поршней в цилиндре осуществляется с помощью воздушно-масляной эмульсии, подаваемой в зазор между этими деталями специальным насосом. Уже эксплуатируются дизели с охлаждаемыми седлами выпускных клапанов. Ведутся работы по конструированию новых схем механизмов газораспределения с гидравлическим и электромагнитным приводом клапанов, благодаря чему увеличится надежность и снизится звуковое давление (шум) в машинных помещениях при эксплуатации дизелей.
Дизелестроительные предприятия готовятся к выпуску двигателей с периодом необслуживаемой работы около 240 ч. Для повышения надежности при конструировании дизелей в перспективе все в большей степени будут использоваться принципы унификации и агрегатирования, когда различные дизели, скомпонованные из однотипных модулей (элементов), для удобства монтажа, демонтажа и обслуживания можно легко расчленять на отдельные агрегаты и блоки.
Особое внимание уделяется качеству изготовления деталей и применению в дизелестроении новых, наиболее прочных и износоустойчивых материалов. Наряду со сталью, чугуном, цветными металлами получают применение изделия из пластмасс и керамических материалов. Пластмассы с включением армирующих волокнистых материалов обладают небольшой массой и относительно высокими прочностными характеристиками. Благодаря простоте изготовления большинства деталей из армированной пластмассы прессованием, при которой исключается механическая и термическая обработка деталей, существенно снижается стоимость дизелей. Движущиеся пластмассовые детали имеют небольшую массу, благодаря чему уменьшаются силы инерции, уровень шума и вибрация.
Особый интерес представляют детали из керамических материалов, которые, как детали из пластмассы, имеют меньшую массу и обладают высокой термостойкостью, теплоизолирующими и коррозионными свойствами. Тепловые процессы в двигателях с деталями из керамики могут протекать при более высоких температурах и при значительно меньших потерях теплоты. Есть идеи по конструированию «теплонепроницаемого» дизеля, у которого путем изоляции керамикой головок поршней, крышек цилиндров и каналов для выпуска газов можно уменьшить до минимума потери теплоты в окружающую среду. Фирмы Японии, США и ФРГ уже построили опытные автомобильные двигатели с деталями из пластмасс и керамических материалов. Определенная работа по повышению механических свойств этих материалов при изгибе, ударных и вибрационных нагрузках систематически проводится и в нашей стране.
Существенным недостатком дизелей является передача ими энергии к потребителю через кривошипно-шатунный механизм. Возникающие при этом неуравновешенные силы и моменты инерции вызывают вибрацию СЭУ и корпуса судна, приводят к неравномерности вращения и крутильным колебаниям валопровода. Поэтому наряду с совершенствованием дизелей обычной конструкции в нашей стране и за рубежом ведут работы по соз-танию новых типов двигателей с принципиально новой конструкцией деталей цилиндропоршневой группы.
Задачи, поставленные перед отечественным дизелестроением по созданию высокоэкономичных и надежных двигателей, обеспечивающих эффективную защиту окружающей среды, снижение уровня шума и вибрации, невозможно решать без совершенствования процессов смесеобразования и сгорания топлива. Большой эффективности процессов сгорания можно достичь прежде всего при оптимальном сочетании геометрических элементов камеры сгорания и топливной аппаратуры, при соответствующей обработке топлива, улучшающей его способность к смесеобразованию и сгоранию в дизелях. Проводятся исследовательские работы по применению ионизирующих и ультразвуковых устройств, внедряется топливная аппаратура для ступенчатой (двухфазовой) подачи топлива, благодаря чему обеспечивается наиболее полное сгорание топлива в дизелях.
Главным критерием при выборе типа СЭУ являются эксплуатационные расходы и прежде всего затраты на топливо, поэтому в настоящее время развернуты работы по использованию в дизелях тяжелых сортов топлива. Для работы на тяжелых сортах топлива предполагается использование охлаждаемых форсунок, вращающихся газораспределительных клапанов, составных поворачивающихся поршней, системы промывки турбокомпрессоров и специальных топливных насосов. В настоящее время проводятся также исследования по использованию в дизелях водотопливных смесей. Как показали испытания, при подогреве водо-топливной смеси в камере сгорания в результате «микровзрыва» частицы воды испаряются в капле топлива и дробят его на более мелкие капли. При дополнительном дроблении капель топлива центры возникновения и развития пламени равномерно распределяются в объеме камеры сгорания и при этом уменьшается удельный расход топлива, так как вся порция поданного в цилиндр топлива сгорает с большей полнотой.
Для снижения удельного расхода топлива наряду с конструктивным улучшением дизелей, внедрением более эффективных способов смесеобразования потребуется также коренное усовершенствование технологии и организации перевозочного процесса на речном транспорте с учетом передовых форм и методов работы, при которых обеспечивается повышение качества обслуживания и использования технических средств СЭУ.
Дальнейшее совершенствование СЭУ направлено на повышение их экономичности прежде всего путем развития средств утилизации теплоты охлаждающей воды и выпускных газов. На эксплуатирующихся судах внутреннего плавания используют исключительно теплоту выпускных газов в котлах-утилизаторах, чтобы получить горячую воду или пар для системы теплоснабжения. Для более полной утилизации теплоты выпускных газов проводятся научно-исследовательские и проектные проработки по применению более совершенных котлов-утилизаторов и по использованию вырабатываемого ими пара в турбогенераторе, в специальных турбинах с передачей мощности на винт, в установках для опреснения морской воды, подогрева тяжелого топлива и перевозимых на танкерах вязких нефтепродуктов. Проводятся также исследования по использованию теплоты охлаждающей воды в абсорбционных холодильных машинах. Возможны и другие решения по использованию энергии, получаемой при утилизации теплоты охлаждающей воды и выпускных газов дизелей.
В настоящее время на судах еще нет автоматических систем оптимального регулирования режимов работы СЭУ, эта задача возложена на судоводителей (судомехаников), от профессионального мастерства и опыта которых в значительной мере зависит экономическая эффективность работы дизелей. В перспективе предусматривается внедрение на судах самонастраивающихся (экстремальных) систем регулирования с использованием ЭВМ, которые будут решать и вопросы выбора оптимального режима работы СЭУ в зависимости от рейсового задания и конкретных условий плавания судна. Благодаря включению в схемы регулирования микропроцессоров можно решить задачу управления подачей топлива по сигналам преобразователей, информирующих о температуре и давлении окружающей среды, давлении во впускном трубопроводе, содержании кислорода в выпускных газах, изнашивании деталей ЦПГ и других показателях работы СЭУ.
Повышение эффективности работы речного флота неразрывно связано с ускорением научно-технического прогресса во всех сферах деятельности, в том числе и в сфере технической эксплуатации СЭУ. Для интенсификации работы флота прежде всего необходимо сокращение ремонтного времени и снижение затрат на техническое обслуживание и ремонт дизелей. Научно-технические достижения в организации и технологии технического обслуживания и ремонта оборудования в нашей стране и за рубежом свидетельствуют о том, что для дальнейшего развития технической эксплуатации флота в перспективе необходимо: разработать достоверные методы контроля состояния судов и основных элементов СЭУ; оснастить суда, береговые производственные участки (БПУ) и судоремонтные предприятия необходимыми средствами контроля технического состояния механизмов; сократить сроки подготовки судов к ремонту; провести работу по сосредоточению сил и средств судоремонтных предприятий на ремонте небольшого количества типосудов.
Важным направлением научно-технического прогресса является также разработка и внедрение в практику технического обслуживания и ремонта СЭУ наиболее прогрессивных технологий: по применению стойких защитных покрытий, химических препаратов, стеклопластиков, клеевых составов, многослойных конструкций, холодной сварки чугуна, наплавки, напыления (плазменного, газопламенного, детонационного), осталивания, плакирования и т.д. Большие возможности в повышении качества и сокращении сроков обслуживания и ремонта имеют различные технологии восстановления деталей на основе полимеров (полимерные технологии), способы очистки технологического оборудования химическими препаратами без вскрытия и вывода этого оборудования из действия. Особое внимание на перспективу уделяется внедрению в процессы обслуживания и ремонта СЭУ средств механизации, автоматизации, робототехники.
Благодаря перестройке системы технического обслуживания, концентрации в пунктах обработки флота специальных бригад БПУ, оснащенных необходимым инструментом, средствами контроля, вооруженных передовой технологией, можно в дальнейшем при меньшей численности персонала изменить и формы организации труда судовых экипажей.
Новые дизели для речного флота. Выпускаемые в настоящее время среднеоборотные судовые четырехтактные дизели номинальной мощностью 100 — 1840 кВт имеют ресурс до первой переработки 4 — 8 тыс.ч и до капитального ремонта 28 — 45 тыс.ч. Удельная масса выпускаемых дизелей составляет 30 — 25 кг/кВт, удельные расходы топлива — 225 — 221 г/(кВт-ч), смазочного масла —4—1,6 г/ (кВт-ч). Согласно исследованиям перспективные среднеоборотные четырехтактные дизели должны работать на тяжелом топливе с удельным расходом 211—204 г/ (кВг-ч), удельным расходом масла 1,6— 1,3 г/ (кВт • ч), иметь ресурс до первой переборки 12 — 15 тыс.ч и до капитального ремонта 40 — 60 тыс.ч. Ни один из эксплуатируемых в настоящее время среднеоборотных судовых дизелей не соответствует этим требованиям по приведенной сумме показателей. Подгруппа высокооборотных дизелей (Ч 8,5/11; Ч 9,5/10; Ч 9,5/11; Ч 10,5/13; Ч(Н) 12/14; Ч(Н) 15/18; ЧН 18/20) по ресурсным показателям и расходу масла на угар также не удовлетворяет поставленным требованиям на перспективу. Для речного флота наиболее перспективными являются дизели отечественной конструкции ЧН 36/40, ЧН 26/34, ЧН 18/22.
Проектирование указанных дизелей ведется с учетом максимальной унификации вертикальных (рядных) и V-образных моделей. В конструкции основных узлов и деталей этих дизелей заложены перспективные конструкторские и технологические решения. Для обеспечения форсирования рабочего процесса по среднему эффективному давлению до 1,8 — 2 МПа и выше конструкции основных элементов дизелей рассчитаны на давление сгорания до 13 — 14 МПа.
Новый судовой дизель 6ЧН 36/40, приспособленный для работы на тяжелом и газообразном топливах, будет применяться в составе дизель-редуктор-ного агрегата (Г95 и Г96 с номинальной мощностью соответственно 2020 и 1765 кВт) и для работы непосредственно на винт (Г97 мощностью 1100 кВт). Дизели расходуют 210 г/(кВт-ч) моторного топлива и 1,65 г/(кВт-ч) масла. Ресурс необслуживаемой работы дизеля составляет до 240 ч, ресурс до первой переборки—12— 15 тыс.ч и до капитального ремонта — 50 — 60 тыс.ч. Небольшая металлоемкость дизеля 6ЧН 36/40 по сравнению с 6ЧН 36/45 достигается благодаря применению для изготовления деталей корпуса высокопрочного чугуна. Для изготовления других деталей применяются, различные алюминиевые сплавы.
Заданный ресурс дизеля до капитального ремонта обеспечивается применением материалов с повышенной термоциклической стойкостью для теп-лонапряженных деталей; интенсивного охлаждения относительно тонких днищ поршней и крышек, верхнего бурта втулок цилиндров, распылителей форсунок, корпусов и седел выпускных клапанов; покрытия опорных фасок седел и клапанов твердыми сплавами; молибденовых покрытий верхних поршневых колец; лубрикаторной смазки цилиндров; шеек коленчатых валов повышенной твердости; подшипников из сплава АО-20-1; различных приработо-чных покрытий деталей; закалки с использованием ТВЧ верхних кольцевых канавок поршней; масел с высокой щелочностью и моющими свойствами типа М10ГЦС при хорошей фильтрации.
Перед фланцем основного отбора мощности у дизелей предусмотрен дополнительный (восьмой) коренной подшипник, ограничивающий перемещения коленчатого вала. Благодаря этому исключается деформация коленчатого вала от воздействия массы маховика и присоединяемых к нему деталей валопровода.
Распределительный вал дизеля расположен в верхней части блока цилиндров в специальных разгружающих полку блока подшипниковых корпусах, прикрепляемых к нему специальными болтами. При таком расположении распределительного вала можно укоротить топливный трубопровод высокого давления и уменьшить массу поступательно движущихся деталей клапанного привода. Интенсивное охлаждение верхней части втулок цилиндров обеспечивается увеличением поверхностей охлаждения, применением наклонных сверлений в опорном бурте и напрессованного кожуха охлаждения.
Поршни дизелей составные, со съемной головкой из кованой легированной стали и чугунным литым трон-ком, охлаждаются маслом. Дизели отвечают требованиям Регистра СССР к автоматизации энергетических установок со степенью автоматизации А1, А2.
Дизели ЧН 26/34 в составе энергетической установки развивают номинальную мощность 880 кВт при частоте вращения вала 750 мин-1 расходуют 204 г/(кВт-ч) топлива и 1,6 г/(кВт-ч) смазочного масла. Уровни ресурсов у дизелей до переборки составляют 15 тыс. ч, до капитального ремонта — 60 тыс. ч. Блок цилиндров и картер дизеля образуют единую литую конструкцию. Коленчатый вал уложен в подвесные подшипники. Жесткость блока увеличена благодаря применению горизонтальных болтов, ввернутых в крышки коренных подшипников и стягивающих стенки блока. Крышки цилиндров с промежуточными днищами, при введении которых обеспечивается хорошее охлаждение центральной, наиболее напряженной части днища и седел впускных и выпускных клапанов.
Втулки цилиндров имеют напрессованные гильзы, посредством которых блок цилиндров предохраняется от коррозионного разрушения.
Изготовлены и проходят испытания два опытных образца дизелей 6ЧН 18/20. Первый образец имеет конструкцию с подвесным коленчатым валом и жестким блок-картером, другой — рамную конструкцию. Новый судовой дизель на базе двигателя 6ЧН 18/22 агрегатной мощностью 440 кВт и частотой вращения вала 1000 мин-1 будет иметь удельный расход топлива 211 г/(кВт.-ч), удельный расход смазочного масла 1,4 г/(кВт-ч), среднее эффективное давление 1,58 МПа, удельную массу 12,2 кг/кВт и ресурсы до первой переборки 15 тыс. ч и до капитального ремонта 60 тыс. ч. Двигатель может работать на дизельном и моторном топливах.
В группе дизелей с повышенной частотой вращения коленчатого вала 1550 мин-1 намечается выпуск дизелей М416 номинальной мощностью 809 кВт, являющихся развитием дизелей 418/ 20. Дизель М416 имеет удельные расходы топлива 215 г/(кВт- ч), масла 4 г/(кВт-ч), ресурс до первой переборки 4—5 тыс. ч, до капитального ремонта 10—12 тыс. ч и работает со средним эффективным давлением 1,02 МПа. В настоящее время для судов на подводных крыльях разработана еще одна модель дизеля М420 мощностью 1000 кВт при частоте вращения вала 1550 мин-1.
Дальнейшим развитием дизелей для судов на подводных крыльях являются дизели Ч 21/21 с реверс-редуктором мощностью достигающей 1470 кВт.
Создан опытный образец V-образ-ного дизеля 12 ЧН 14/14, на котором предстоит обеспечить получение агрегатной мощности 442 кВт при частоте вращения вала 1500 мин-1, удельном расходе топлива 225 г/(кВт-ч), ресурсе до переборки 10 тыс. ч и до капитального ремонта 25 тыс. ч. На базе этого дизеля создан судовой дизель-генератор мощностью 315 кВт. Предусматривается создание и шестицилиндровых дизелей 6 ЧН 14/14.
Возможности совершенствования двигателей Ч 15/18, перекрывающих диапазон мощностей 110—220 кВт, практически исчерпаны. В двенадцатой пятилетке планируется уменьшить расход топлива для этих дизелей на 3—4 г/(кВт-ч) до 226—232 г/(кВт-ч) и расход масла с 4—4,5 до 2,1 — 2,5 г/(кВт-ч). Ресурс до переборки будет увеличен с 3,5 до 6—7 тыс. ч, а до капитального ремонта до 14— 18 тыс. ч.
Проводится комплекс работ по совершенствованию дизелей малой мощности типов 4 8,5/11; Ч 10,5/13; Ч(Н) 12/14. Удельный расход топлива у форсированных модификаций дизелей 6 ЧН 12/14 понизится с 230 до 224 г/(кВт-ч), ресурс до переборки составит 6— 7 тыс. ч и до капитального ремонта— 16—18 тыс. ч. Улучшатся показатели работы и дизелей 4 8,5/11; Ч 10,5/13. Благодаря этому можно практически полностью удовлетворить возросшие требования к дизелям этого класса при мощностях до 110 кВт. На их базе созданы автоматизированные дизель-генераторы мощностью 25,50 и 110 кВт, которые будут эксплуатироваться на судах при безвахтенном обслуживании энергетических установок.