Анализ совместной работы судового двигателя с регулятором частоты вращения

MAN B&W K5SZ70/125B - двухтактный, крейцкопфный, реверсивный, с газотурбинным наддувом, с прямоточно-клапанной системой газообмена. Двигатель предназначен для работы в качестве главного с прямой передачей на гребной винт. Благодаря преимуществам прямоточно-клапанной системы газообмена в организации рабочего процесса двигатель B&W зарекомендовал себя достаточно экономичным, с высокой степенью использования объема цилиндров в рабочем процессе.

Фундаментная рама коробчатой формы состоит из высоких продольных балок, сваренных со сварно-литыми поперечными балками, в которых размещены постели рамовых подшипников из стального литья. Станина сварная и имеет высокую жесткость; блок цилиндра чугунный. Фундаментная рама, станина и цилиндровый блок стянуты между собой длинными анкерными связями.

Втулка цилиндра опирается на блок цилиндров, причем верхняя ее часть выведена из блока и охватывается тонкой рубашкой, создающей полость охлаждения водой, подводимой по сверленным тангенциальным каналам, благодаря чему температура зеркала цилиндра на верхнем уровне кольца при положении поршня в ВМТ не превышает 160-180С, что обеспечивает надежность работы и увеличивает срок службы поршневых колец. Втулка имеет простую симметричную конструкцию, в нижней части которой расположены продувочные окна, равномерно распределенные по всей окружности. Оси каналов, образующий продувочные окна, направлены по касательной к окружности цилиндра, что создает закручивание потока воздуха при его поступлении в цилиндр. Штуцера для подвода цилиндрового масла расположены в верхней части втулки (несколько выше верхней полки блока цилиндров).

Крышка цилиндра стальная кованная колпачкового типа, поэтому при нахождении поршня в ВМТ головка поршня располагается выше района уплотнения крышки и втулки цилиндра. Крышка отличается легкостью демонтажа. Для интенсификации охлаждения у самой поверхности огневого днища просверлены отверстия радиальных каналов, по которым циркулирует охлаждающая вода. В крышке размещается корпус выпускного клапана с клапаном, две форсунки, а также пусковой и предохранительные клапаны. Выпускной клапан имеет гидропневматический привод. Гидропривод передает усилия поршневого толкателя, приводимого вот кулачковой шайбы распределительного вала, через гидросистему на поршень серводвигателя, действующего на шпиндель выпускного клапана. Для проворачивания клапана применена крылатка, что повышает надежность их сопряжения с охлаждаемыми седлами. Клапанное гнездо охлаждается водой. Форсунки неохлаждаемого типа, их температура регулируется циркулирующим топливом. Сопла выполнены стеллитовыми и имеют достаточно большой срок службы.

Сплошной отлитый из чугуна ресивер продувочного воздуха вместе с диафрагмой охлаждается водой, что способствует большей безопасности эксплуатации дизеля.

Поршень рассчитанный на повышение давления сгорания, выполнен из хромолибденовой стали, и охлаждается маслом, которое подводится по телескопическому устройству к штоку поршня в районе крейцкопфного соединения. В связи с периферийным расположением форсунок днище поршня имеет полусферическую форму.

Шатун имеет сравнительно короткий стержень, что способствует снижению общей высоты двигателя.

Коленчатый вал сварного типа, причем сварка осуществлена посередине рамовых шеек. Упорный вал составляет одно целое с коленчатым валом, что уменьшает общую длину двигателя с упорным подшипником.

Распределительный вал приводится во вращение от коленчатого вала цепной передачей, которая хорошо себя зарекомендовала в эксплуатации.

Распределительный вал приводит в движение золотниковые топливные насосы высокого давления и поршни гидравлических приводов выпускных клапанов. Топливные насосы золотникового типа со смешанным регулированием подачи обеспечивают низкие расходы топлива.

Наддув осуществляется изобарными турбокомпрессорами с неохлаждаемыми корпусами. Реверсирование двигателя осуществляется без реверсирования распределительного вала. При перемене направления вращения двигателя реверсируют только воздухораспределитель и привод ТНВД. Реверсирование ТНВД осуществляется путем перестановки ролика толкателя плунжера в новое положение.

Экономичность двигателя повышается за счет утилизации тепла выпускных газов в стандартизированной турбокомпаундной системе, которая предлагается в двух вариантах: ГТН с электрогенератором, встроенным в воздушный фильтр-глушитель, или утилизационный турбогенератор. При этом дополнительная энергия может отдаваться винту или в судовую электросеть.

Остов поддерживает и направляет движущиеся детали, воспринимает все усилия при работе двигателя; представляет собой совокупность неподвижных деталей - фундаментной рамы, картера, цилиндров с установленными в них цилиндровыми втулками и крышек цилиндров, а также анкерных связей, шпилек и болтов, стягивающих эти детали. Для удобства монтажа остов выполняют с тремя горизонтальными разъемами и с коленчатым валом, уложенным в подшипники фундаментной рамы. Жесткость его обеспечивается за счет увеличения сечения продольных и поперечных связей рамы, применение картера коробчатой конструкции, соединения деталей длинными анкерными связями.

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) воспринимает усилие от давления газов и преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Основными деталями КШМ являются: поршень, шток поршня, крейцкопф, шатун, коленчатый вал. Поршень воспринимает силу от давления газов и передает ее через шатун на коленчатый вал. Днище поршня воспринимает давление и теплоту горячих газов, ограничивает и формирует камеру сгорания. Поршневой шток, выполняемый из углеродистой стали, служит для соединения поршня с крейцкопфом, передачи КШМ усилия от давления газов на поршень. Шатун преобразует возвратно-поступательное движение поршня со штоком во вращательное коленчатого вала, передает усилие от поршня коленчатому валу; соединяется мотылевой шейкой коленчатого вала посредствам мотылевого подшипника и с поперченной крейцкопфа. Шатун подвергается действию силы от давления газов, сил инерции поступательно движущихся масс и сил инерции, возникающих при качании шатуна. Коленчатый вал - одна из наиболее ответственных, дорогих и сложных в изготовлении деталей. Эффективная мощность, развиваемая дизелем, снимается с фланца коленчатого вала. Крутящий момент через линию валопровода передается гребному винту. Маховик на выходном кормовом конце коленчатого вала, имеющий большую расчетную массу для поддержания заданной степени неравномерности вращения коленчатого вала и линии валопровода, аккумулирует избыточную энергию во время рабочего хода поршней и отдает ее в систему при других вспомогательных ходах поршня.

Комбинированный механизм газораспределения предназначен для управления процессами впуска и выпуска в соответствии с принятыми фазами газообмена; состоит из рабочих клапанов и деталей, передающих движение от коленчатого вала к клапанам, распределительного вала, роликовых толкателей, гидроприводов выпускных клапанов. Выпуск газов осуществляется через клапаны, управляемые механизмом газораспределения, открытие и закрытие продувочных окон - верхней кромкой днища поршня. Моменты открытия и закрытия клапанов и продувочных окон, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала (ПВК), называют фазами газораспределения. Процессы газообмена осуществляются на части ходов расширения и сжатия до и после НМТ. Диаграмма имеет относительно симметричный вид по отношению к НМТ за счет наддува при постоянном давлении и длительного продувания.

Топливная система обеспечивает подачу топлива в рабочие цилиндры, поэтому является одной из важнейших систем дизеля. Она состоит из систем высокого и низкого давления.

Система низкого давления предназначена для подготовки и подачи топлива к системе высокого давления и включает в себя цистерны, фильтры, насосы, сепараторы, подогреватели и топливо проводы.

Параллельно с расходной цистерны тяжелого топлива система низкого давления включает в себя, также сдвоенную цистерну дизельного топлива, на котором двигатель работает в период пусков, маневров, перед остановкой и нередко на малых нагрузках. Система высокого давления осуществляет впрыскивание топлива в камере сгорания двигателя и включает в себя топливный насос высокого давления (ТНВД) и форсунку, соединенные топливо проводом высокого давления. ТНВД - золотникового типа с регулированием по концу подачи, индивидуальные для каждого цилиндра, вертикальное положение втулки плунжера внутри ТНВД меняется в зависимости от нагрузки двигателя, что способствует снижению расхода топлива. Форсунки предназначены для впрыскивания топлива в цилиндр и распыливания его на мельчайшие капли. Особенностью форсунок является центральный подвод топлива к сопловому наконечнику распылителя без дополнительного охлаждения. Система высокого давления обеспечивает: впрыскивание точно дозированной цикловой подаче топлива; заданные фазы топливоподачи (начало и конец) и характеристику впрыскивания, благоприятствующие рабочему процессу дизеля на любом его эксплуатационном режиме; качественное распыливание топлива, то есть высокое его давление перед распыливающими отверстиями на всех эксплуатационных режимах дизеля, включая малые нагрузки и холостой ход. Система высокого давления выполнена разделенно-разветвленного типа. Регулирование системы высокого давления заключается в изменении ее цикловой подачи, а также начала и окончания процесса впрыскивания.

Система смазки обеспечивает подачу масла к трущемся поверхностям для уменьшения их трения, отвода теплоты, выделяющейся при трении, а также для очистки поверхностей трения от продуктов износа, нагара и других посторонних частиц. Смазка подается по втулке цилиндров, подшипников коленчатого вала, и распределительных валов, турбокомпрессоров, насосов, направляющие клапанов, толкатели топливных насосов и механизма газораспределения, приводов клапанов. Система смазки включает в себя масленые насосы, масленые фильтры, кожухотрубные водомасленные охладители, напорные, циркуляционные, запасные масляные цистерны (емкости), маслопроводы. Масленые насосы служат для непрерывной или периодической подачи определенного количества масла в нагнетательный трубопровод; масляные фильтры - для очистки масла от посторонних включений (нагара, отложений металлических частиц). В охладителях масло отдает теплоту, отведенную им от горячих поверхностей деталей двигателя.

Система охлаждения служит для охлаждения двигателей, нагревающихся от сгорания топлива и от трения, для отвода теплоты от рабочих жидкостей (масло, топливо, воды) и наддувочного воздуха. Система охлаждения состоит из водяных насосов, охладителей, расширительной цистерны, терморегуляторов, трубопроводов. Водяные насосы обеспечивают непрерывное движение (циркуляцию) охлаждающей воды в системе. Охладители предназначены для отвода в воду избыточной теплоты от охлаждаемых жидкостей и наддувочного воздуха. Расширительная цистерна (бачок) служит для компенсации изменений объема воды в системе вследствие изменения ее температуры, для восполнения потерь воды в системе из-за утечек и испарения, а также удаления из системы воздуха и водяных паров. Терморегуляторы автоматически поддерживают температуру воды, а также охлаждаемых жидкостей в заданном диапазоне.

Одноступенчатая, много компрессорная, изобарная, с охладителями воздуха, регулируемая система воздухоснабжения предназначена для подачи воздуха, необходимого для сгорания топлива и продувки цилиндра.

Система воздухоснабжения состоит из центробежных газотурбокомпрессоров с неохлаждаемыми корпусами, теплообменников, сепараторов влаги, ресиверов, воздуховодов, глушителей.

Компрессоры предназначены для увеличения массы заряда воздуха путем предварительного повышения его плотности при сжатии и дальнейшего перемещения в ресивер наддува.

В теплообменниках плотность воздуха меняется за счет изменения его температуры. Снижение температуры продувочного воздуха в рекуперативном воздухоохладителе способствует снижению расхода топлива. Сепараторы влаги предназначены для отвода из охлажденного воздуха конденсата водяных паров. Однотрубный коллектор служит для равномерного распределения воздуха по всем цилиндрам двигателя. Глушители снижают уровень шума системы воздухоснабжения.

Изобарная система газоотвода (гозовыпуска) с умеренной утилизацией теплоты обеспечивает наиболее рациональный отвод отработавших в цилиндре газов. Система газоотвода состоит из выпускных коллекторов, утилизационных газовых турбин, газоводов (трубопроводов). Выпускной коллектор предназначен для отвода из цилиндров отработавших газов с максимально возможным сохранением их энергии, способствует отчистке цилиндров от остаточных газов. Утилизационные газовые турбины преобразуют механическую энергию отработавших в цилиндрах газов в крутящий момент, утилизационные котлы - тепловую энергию отработавших газов в энергию пара (воды). Глушители шума предназначены для снижения вредного звукового воздействия отработавших газов на окружающую среду. Система управления с пневматически управляемыми пусковыми клапанами, заменой кулачковых шайб переднего хода шайбами заднего хода, командной связью и смешанного типа предназначена для пуска и остановки двигателя, изменения направления и частоты вращения коленчатого вала. Система управления включает в себя посты управления, устройства запуска, механизм реверсирования, блокирующие устройства, а также связи между составляющими систему. Пост управления служит для ввода команды на выполнение какой-либо операции. Устройство запуска предназначено для первоначальной раскрутки КШМ с целью приведения двигателя в действие. Механизм реверсирования обеспечивает правильное чередование и изменения фаз распределения органов пуска, газораспределения, топливоподачи, а также реверсирование навешанных на двигатель вспомогательных механизмов.

Система регулирования и контроля первой степени автоматизации А1 обеспечивает поддержание заданного режима работы двигателя и значений отдельных его параметров в допустимых пределах, а также контроль показателей, характеризующих режим и состояние работающего двигателя, а это - регулирование частоты вращения, температуры в системе охлаждения и смазки; индикация значений контролируемых параметров; автоматическая аварийно-предупредительная сигнализация и защита; местное и дистанционное управление пуском, остановкой, предпусковыми и послеостановочными операциями, а также частотой вращения и реверсированием.

1.2 Уравнение динамики судового двигателя, как объекта регулирования частоты вращения вала