Малооборотные судовые двигатели

Под категорию малооборотных подпадают главные судовые дизели с режимами работы 55-150 об./мин. коленчатого вала. Другие характерные их особенности:

• Большое отношение движения поршня к его диаметру;
• Автономная система смазки зеркала втулки цилиндра;
• Разделение картера и объемов рабочих цилиндров диафрагмой;
• В конструкции двигателя присутствуют параллели и крейцкопфный механизм.

Повышенный интерес к малооборотным двигателям возник на рубеже 1970-1980 гг. в связи с ростом цен на дизельное топливо. При правильно подобранном диаметре гребного винта малооборотные двигатели демонстрировали наилучший пропульсивный коэффициент по сравнению средне- и высокооборотными моторами.

Кроме того, усовершенствование узла крейцкопфа, повышение прочности и жесткости у остова, применение кованых крышек цилиндра повысило общую надежность работы и долговечность срока службы корабельных дизелей.

Современные корабельные дизеля с малыми оборотами оснащаются валогенераторам и турбокомпаундной системой (TCS). Последняя часть выхлопа направляет на силовую турбину, что экономит 9-11% топлива, что позволяет отнести подобные силовые агрегаты к классу газотурбинных.

Сравнение малооборотных и среднеоборотных судовых дизелей

Выбор между мало- и среднеоборотными двигателями определяется, во-первых, назначением морского судна, во-вторых, их размещением внутри машинного отделения. Среднеоборотные дизеля, которыми приводится в движение судно, с цилиндровой мощностью 1100-1400 кВт рационально устанавливать в машинные отделения, высота которых относительно невелика. В них дополнительно требуется еще разместить дополнительное оборудование и вспомогательные энергетические установки обеспечения. Однако со временем затраты на обслуживание и эксплуатацию среднеоборотных дизельных силовых агрегатов растут. Тогда как расходы на обслуживание и эксплуатацию малооборотных ДВС со временем остаются неизменными и даже наблюдается тенденция снижения этих затрат. Обслуживание энергоустановок, работающих вместе с малооборотным дизелем, более рентабельно в сравнении с эксплуатационными затратами энергоустановок, работающих со среднеоборотными силовыми установками.

С точки зрения эксплуатации среднеоборотный дизель проигрывает малооборотному двигателю, оснащенному малым количеством цилиндров, но с большой их мощностью (2000-3000 кВт). С малооборотным судовым двигателем агрегируется привод винта с фиксированным шагом, тогда как со среднеоборотным – привод регулируемого шага вместе со вспомогательными генераторами. Из-за этого комплексные показатели ремонтопригодности для среднеоборотных дизелей в 1,5-2 раза выше, чем у малооборотного судового двигателя.

 Критерии выбора корабельных силовых агрегатов

Постепенно корпус судна вместе с винтом обрастают ракушечником. Это, во-первых, повышает сопротивление движению у корпуса, а во-вторых, снижает удельную мощность у винта, в т.ч., и за счет изменения угла применения силы. Во время шторма, при встречном ветре сопротивление корпуса движению еще более возрастает. Поэтому считается общепринятой практикой выбирать для оснащения судна главный дизель с т.н. морским запасом. Обычно это дополнительные 15% мощности в точке PD.

Точка SP – длительная эксплуатационная мощность – важна при выборе судового двигателя для расчета точки MP – максимальная длительная мощность. MP высчитывается по формуле: MP=SP-10%. Силовой агрегат нормально эксплуатируется на точке SP.

Вместо точки MP можно использовать спецификационную МДМ, под которой понимается требуемая максимум мощности при непрерываной работе основного корабельного двигателя. При правильно подобранных режимах вращения коленчатого вала и работы вспомогательного оборудования МДМ рассчитывается как максимум мощности. Превышать этот максимум разрешается только на 10% на 1 час раз в 12 часов.

Обзор силовых агрегатов от основных мировых производителей

Жесткая конкуренция подтолкнула производителей искать новые инновационные инженерные решения в конструкции двигателей для судов. Таким инновационным решением стало появление интеллектуального управления работой дизеля. Прежде всего, интеллектуальное управление снизило расход топлива. Повышение экономичности было достигнуто за счет гибкого изменения фаз газораспределения и интенсивности впрыска в зависимости от постоянных и переменных нагрузок.

Двигатели MAN Diesel

Концерн MAN Diesel оказал большое влияние на развитие двигателей для крупнотоннажных судов. В 1984 г. концерн приобрел компанию Burmeister&Wain, которая занималась разработкой ДВС с прямоточным газообменом. После этой покупки корабельные дизели стали выпускаться под брендом MAN&BW. Под этим брендом были выпущены первые двигатели с интеллектуальным управлением (МС). Они выпускались:

• с клапанно-прямоточным газообменом;
• с увеличенными размерами головок поршня;
• с уменьшенным относительно дна поршня размещением поршневых колец.

Эти конструктивные решения увеличили ресурс надежности двигателей. У малооборотных корабельных двигателей MAN&BW серии МС увеличился диаметр цилиндров, что привело к увеличению числа форсунок с двух до трех. Это техническое решение оптимизировало распределение тепловых потоков в камере сгорания и позволило форсировать мощность корабельных ДВС.

Внедрение интеллектуального управления позволило серьезно форсировать мощность двигателей при одновременном уменьшении потребления топлива. Информацию блоку управления передают термодатчики, смонтированными над втулками цилиндра. Тензодатчики, закрепленные на крышках цилиндра, позволяют оптимизировать процесс сгорания в цилиндровой группе. Первый оптодатчик отмечает нахождение поршня в его ВМТ, второй – отслеживает изменения импульсов вращения коленчатого вала и шатуна.

Интеллектуальное управление процесса сгорания дизтоплива выдавало экипажу судна следующую информацию по работе малооборотного судового двигателя:

• Усредненное индикативное давление;
• Максимумы сжатия;
• Скорости увеличения давления на поршень при сгорании в цилиндре топливной смеси;
• Число оборотов коленвалов.

Малооборотный двигатель MAN&BW серии MC получил устройство защиты от протечек топливной смеси в смазочные жидкости распределительного вала через сквозь щели плунжеров. Эта защита позволила избавиться от автономной системы смазки распределительного вала.

Серия MAN&BW МСЕ

Двигатель серии MCE стал эволюционным продолжением серии MC. У корабельных дизелей MAN&BW MCE увеличены экономичность и ресурс надежности, снижено количество вредных веществ в выхлопных газах.

Помимо электронного блока управления в силовой агрегат были внедрены гидравлические приводы. Их использование позволило избавиться от:

• Приводных цепей основного распределительного вала;
• Топливного насоса высокого давления;
• Приводов выхлопных клапанов;
• Вспомогательных распредвалов;
• Приводов распределителя воздушных потоков;
• Механических приводных лубрикаторов.

Вместо указанных узлов на двигатели MAN&BW MCE были установлены:

• Смазочная гидросистема с автономными гидронасосами. Последние получают импульс действия либо от самого дизеля, либо от независимых электрических двигателей;
• Датчики вращения коленвала;
• Новые выхлопные клапаны и ТНВД, оснащенные гидроуправлением;
• Отдельный блок управления для частоты вращения приводов накачки воздуха;
• Автоматический запуск приводов накачки воздуха;
• Альфа-лубрикаторы с автономным блоком управления.

Двигатели Wärtsilä-Sulzer

Самой известной серией малооборотных двигателей финского судостроительного концерна является Wärtsilä-Sulzer RTA, которая выпускается с 1983 г.

Дизеля Wärtsilä-Sulzer RTA конструкционно схожи с двигателями для судна MAN&BW МС. У них также имеется клапанно-прямоточный газообмен, что позволило увеличить усредненое эффективное сжатие до 15 бар, а в последних моделях – до 19 бар, а удельный расход топлива уменьшился до 165 г/кВт*ч.

Но у малооборотных ДВС Wärtsilä-Sulzer RTA имеются и свои конструкционные отличия. В частности, финские инженеры уделили большое внимание на повышение ресурса надежности цилиндропоршневой группы:

• Смазка цилиндра осуществляется по двухуровневой системе;
• Зеркала цилиндров подверглись процедуре глубокого хонинга;
• Втулки цилиндров отливались без принудительного охлаждения в их нижней половине, что исключило вероятность сернистой коррозии у втулок;
• На канавках поршневых колец увеличен защитный хромовый слой;
• Масляное охлаждение сопел выполняется через специальные отверстия, просверленные в поршневых головках. Это значительно интенсифицировало охлаждение сопел.

Эти и некоторые другие решения, например, увеличение надежности подшипников, повысили ресурс надежности у силового агрегата и увеличили период между его регулярными ТО до трех лет.

Двигатели Wärtsilä-Sulze RT-Flex

Дальнейшее усовершенствование технических решений с целью повысить показатели экономичности и надежности привело финских инженеров к созданию автономного электронного блока управления, который был внедрен в серию двигателей RT-Flex. Их основные конструкционные, технические и эксплуатационные особенности:

• Уменьшился удельный расход топлива;
• Сократилось количество вредных веществ в выхлопных газах;
• Управление впрыском и подачей топливной смеси стало более гибким;
• ТНВД и гидроприводы выхлопных клапанов были заменены на аккумуляторную систему, управляющей подачей топливной смеси и работой выхлопа;
• Гидронасосы, сжимающие масло в маслопроводах до 200 бар, получают крутящий момент либо от отдельных электродвигателей, либо от вращения коленвала;
• Гидроаккумуляторы для топливной смеси (степень сжатия до 100 бар) и для смазки (степень сжатия до 200 бар). Их расположение – чуть ниже уровня крышки цилиндра. За счет гидроаккумуляторов сжатие смазочных и топливных смесей в масло- и топливопроводах изменяется в достаточно широком диапазоне;
• Автономный блок управления работой выхлопа (VEC) при малых нагрузках выполняется предварительное перекрытие клапанов, что увеличило у цилиндра эффективность сжатия, повысило КПД сжигания топливной смеси и устранило дымность у выхлопов.

Последним силовым агрегатом в серии Wärtsilä-Sulze RT-Flex стал 2-тактный турбокомпрессорный дизель RT-flex96C (выпускается с 2003 года). Максимальная мощность – 80 000 кВт при удельном расходе дизтоплива 171 г/(кВт*ч). У него распредвал, ТНВД, насосы приводов выпускных клапанов и сервомоторов реверсной системы заменены единой системой Common Rail. Первый дизель для судна RT-flex96C был установлен на контейнеровоз Emma Mærsk.

Двигатели Mitsubishi

Судостроительное подразделение концерна Mitsubishi выпускает двигатели серии UE, созданные по фирменной технологии MHI. Эти силовые агрегаты применяют на крупнотоннажных балкерах, нефтеналивных танкерах, контейнеровозах и некоторых других транспортных судах.

Эксплуатационные и конструкционные особенности корабельных дизелей Mitsubishi UE:

• Блок управления A-ECL, отвечающий за смазку цилиндра. Он изменяет давление смазочного потока, подающегося в цилиндры, в зависимости от наработки двигателя, физико-химических свойств смазки и топлива. Блок управления A-ECL существенно уменьшает расход цилиндровой смазки при небольших нагрузках двигателя. Минимальный уровень подачи масла – 0,59 кВт*ч;
• Адаптация под работу на небольших нагрузках. Корабельные двигатели Mitsubishi UE при длительной работы на малых скоростях не требуют регулярного увеличения нагрузки. Его компоненты адаптированы под условия длительной работы на малых скоростях;
• Система Low-SFOC оптимизирует потребление топливной смеси двигателем на малых и частичных нагрузках. В систему Low-SFOC включены как электронные, так и механические компоненты. Механический компонент – это турбокомпрессор MET-VTI. К электронным компонентам относится система LLO (оптимизация низкой нагрузки) и автоматическая система отключения турбокомпрессора.

Перспективы дальнейшего развития малооборотных судовых двигателей

Рост стоимости нефтепродуктов, а также ужесточение экологических требований, в т.ч., и для судового двигателя, способствует поиску альтернативных видов горючего. Наиболее перспективным альтернативой сегодня считается природный газ. Именно в этом направлении развивается сейчас конструкторская мысль.

Специфика эксплуатации судов не позволяет полностью отказаться от использования дизельного топлива. Так, на него суда вынуждены переходить при движении в балласте. Кроме того, при некоторых условиях плавания и при перевозке некоторых грузов необходимо использование жидкого топлива либо его смеси с природным газом.

Поэтому сейчас наибольшую популярность пользуются двухтопливные двигатели (DF), способные работать на дизельном топливе, на природном газе и на их смеси.

Проблемы работы малооборотных судовых двигателей на природном газе

Главной проблемой работы двигателей на природном газе является эффективное смесеобразование природного газа и атмосферного воздуха. У четырехтактного двигателя применяется внешнее смесеобразование с запальным зажиганием. Но этот принцип невозможно обеспечить для двухтактных малооборотных двигателей затруднительно из-за их конструкционных особенностей.

У двухтактных двигателей имеется большая подпоршневая полость, которую заполняет атмосферный воздух перед попаданием в камеру сгорания. В результате образуется большой объем газо-воздушной смеси. Её взрывообразное сгорание приводит к постепенному разрушению цилиндропоршневой группы. Поэтому у современного двухтактного малооборотного двигателя применяется внутреннее образование смеси, когда природный газ поступает в камеру сгорания только после закрытия газораспределительных органов.

Внутреннее смесеобразование происходит двумя способами:

1. Газ нагнетается в камеру сгорания в начальной стадии такта сжатия при относительно небольшом давлении. Поэтому системы с таким способом смесеобразования называются системами питания низкого давления.
2. Газ поступает в рабочий цилиндр в конце такта сжатия одновременно с запальным топливом. Газ поступает под большим сжатием, поэтому эти системы называются либо системами питания высокого давления, либо системами прямого впрыска (GD).

Над двухтактными двигателями с системами питания низкого давления работают специалисты компании Winterthur Gas and Diesel Ltd. – дочернего предприятия финского концерна Wärtsilä. Над силовыми агрегатами с системами питания высокого давления работают инженеры компании MAN&BW и японского концерна Mitsubishi.

Двухтопливные двигатели с системой низкого давления

Первым опытным образцом главного судового двигателя с системой низкого давления стал переоборудованный дизель RT-flex50DF. В нем сжигалось обедненная топливовоздушная смесь. Природный газ подавался в цилиндры после закрытия органов газообмена, но при низком постоянном давлении. Во время сжатия поршня газ успевает хорошо перемешаться с воздухом и потому хорошо воспламеняется запальной порцией.

Для работы с двумя типами горячего на двигатель было установлено три независимых топливопровода. Каждый топливопровод управляется независимо от остальных по отдельной программе. Жидкое дизельное топливо подается по штатной топливной системе аккумуляторного типа. Судовой дизель сохраняет эффективную работоспособность на тяжелом дизельном топливе на всех скоростных и нагрузочных режимах.

Запальное топливо подается по малопроизводительной аккумуляторной топливной системе. Она устойчиво подает запальное топливо в небольших порциях при гибкой регулировке запального зажигания. Воспламеняют обедненную газо-воздушную смесь два запальных модуля, установленных на каждом цилиндре. Запальный модуль состоит из вихревой камеры, в которой установлена форсунка подачи запальной порции. Вихревая камера соединена с камерой сгорания тангенциальным каналом. В вихревой камере воздух эффективно смешивается с топливом для последующей фазы воспламенения. В качестве последнего обычно применяется дизеля легких сортов, хотя возможно применение тяжелых дизельных марок, используемых на судне в качестве резервного топлива.

При переходе двигателя на работу с жидким топливом запальные форсунки продолжают работать, подавая в камеру сгорания некоторое количество запальной топливной смеси. В противном случае форсунки быстро коксуются. Газовое топливо подается в цилиндры через два клапана, расположенных друг напротив друга на высоте одной трети хода поршня. Клапаны открываются гидравлическим поршнем, цилиндрическая пружина удерживает клапаны в открытом положении и закрывает их. Масло к гидравлическому поршню поступает из системы гидравлического привода выпускного клапана.

К клапанам газ поступает по двустенным сильфонам, подсоединенным к газовым магистралям, проложенным по обе стороны силового агрегата. Газовые магистрали изготовлены двустенными. Межстеночное пространство используется для сбора протечек газа. Соответственно, оно принудительно вентилируется. На выходе вентиляционной системы имеются газовые датчики. Их задача – обнаружить критическую концентрацию газа и подать сигнал на продувку и на переход двигателя на жидкое топливо.

Финский концерн Wärtsilä выпускает двухтопливные двухтактные моторы с малыми оборотами в серии X. У них эффективность работы на газовом топливе равна 80% от эффективности работы на жидком дизеле. В частности, в составе этой серии уже существуют 4 силовых агрегата – W-X62-DF, W-X72DF, W-X82 и W-X92. Находящиеся в эксплуатации главные корабельные дизели могут также быть модернизированы под двухтопливную систему эксплуатацию. Стоимость модернизации равна 20-25% от первоначальной цены приобретения главного судового двигателя.

Двухтопливные двигатели систем высокого давления

В разработке двухтопливных двигателей систем высокого давления наибольших успехов достиг немецкий концерн MAN&BW. Двухтопливные силовые агрегаты с малыми оборотами получили индекс GI (Gas Injector), созданных на базе двухтактных дизелей MC (с механическим управлением) и ME (с электронным управлением).

Для подачи запальной порции используется штатная топливная система. С одной стороны, это не усложнило конструкцию силового агрегата, но с другой стороны, не позволило уменьшить расход дизельного топливо на запал воздушно-газовой смеси (5-8% от общего объема).

Из-за особенностей эксплуатации крупнотоннажных суден газодизельных двигатель имеет два режима работы:

• Постоянная подача запальных порций, при условии использования жидкого топлива для пуска двигателя и для работы на малых нагрузках. При превышении нагрузки 25% от нормы мотор переходит на сжигание природного газа. Фактическая мощность ДВС регулируется объемом газа, подаваемого в цилиндры;
• Двигатель на малых и средних нагрузках работает на жидком дизеле, а на высоких нагрузках в цилиндры дополнительно поступает природный газ.

Передачей природного газа в цилиндры занимается отдельный узел, состоящий из компрессоров высокого давления, теплообменников, газопроводов, газовых форсунок и модулей управления подачи газа. Перевод двигателя с одного топлива на другой, а также изменение режимов его работы производят автоматические блоки управления.

Газопроводы изготавливаются цельносварными с фланцевыми соединениями, последние компенсируют тепловые расширения, которые создает работающий двигатель. Газопроводы изготавливаются с запасом прочности 50% от нормального рабочего давления и помещаются в защитные оболочки, способные предотвращать утечку газа при повреждении фланцевых соединений. Пространство между газопроводами и защитными оболочками вентилируется. Также предусмотрен вариант жесткой продувки всей системы подачи природного газа инертными газами.

Газ в камеру сгорания направляется после подачи туда запальной порции. Это обеспечивает практически полное выгорание запальной порции и исключает пропуск зажигания. Управляет подачей газа один модуль, состоящий из газового аккумулятора, главного отсечного клапана с гидроприводом, клапаном продувки инертными газом и кланом управления гидроприводом форсунок.

Сравнение двухтопливных ДВС с низким и с высоким давлением подачи газа

У ДВС с низким и высоким давлением подачи газа в камеру сгорания имеются как свои преимущества, так и недостатки. У систем низкого давления подачи газа следующие преимущества:

• При сжатии газо-воздушная смесь хорошо перемешивается;
• Хорошее перемешивание газо-воздушной смеси требует меньшее количество запальной топливной смеси;
• Меньшая вероятность протечек газа за счет меньшего давления в газопроводах;
• Более простая система топливной системы при достаточно высоком уровне безопасности;
• Возможность применения более надежных и более дешевых центробежных и винтовых компрессоров.

Недостатки систем низкого давления:

• Высокие требования к качеству газовых топливных смесей из-за более высокой вероятности их детонации;
• Просачивание на такте сжатия газо-воздушной смеси в подпоршневое пространство через поршневые кольца;
• При повреждении газового клапана газ с большой вероятностью попадет в подпоршневое пространство;
• Замедленная реакция на изменение нагрузки;
• Ограничения по мощности ДВС при работе на газовом топливе на 80% от номинальной мощности.

Преимущества систем прямого впрыска:

• Газовое топливо подается непосредственно в камеры сгорания, что полностью исключает детонацию газо-воздушной смеси;
• Отсутствие ограничений по мощности ДВС при работе на газовом топливе;
• Меньшие требования к качеству газового топлива;
• Нет необходимости в дополнительных системах безопасности;
• Газовое топливо принципиально не может попасть в подпоршневое пространство.

Недостатки систем прямого впрыска:

• Сложная конструкция топливной системы;
• Увеличенный расход жидкого запальных топливных смесей;
• Необходимость использование сложных многоступенчатых компрессоров, что увеличивает энергетические траты силового агрегата.

У каждой из систем есть свои преимущества, которые окажутся решающими для эксплуатации конкретных силовых агрегатов. Указанные же недостатки будут решены в ближайшем будущем. Двухтопливных малооборотных судовых двигателей с системами низкого и высокого давления будут развиваться параллельно друг другу, предлагая судовладельцам наиболее оптимальные варианты для них.