Конспект лекции "Режим пуска и переходный режим разгона и прогревания"

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.

Напряженность  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.