Основные направления совершенствования

На морском транспорте дизельные агрегаты используются в составе судовой силовой установки, как в качестве главных двигателей, так и дизельгенераторов. Это, как правило, крейцкопфные малооборотные двигатели (КМОД), работающие по 2-тактному принципу, и тронковые 4-тактные. Обычно, когда говорят о МОД, под этим понимают 2-тактные крейцкопфные двигатели. Тем не менее около 10% малооборотных дизелей, выпущенных за последние тридцать лет, были двигателями 4-тактными.

На удовлетворение потребностей современного судостроения и кораблестроения ориентированы основные зарубежные дизелестроительные компании: Deutz MWM, MTU, MAN-B&W и SКL (Германия), GMT (Италия), SEMT-Pielstik (Франция), Wartsila-Sulzer (Финляндия), Caterpillaer, МАК (США), МНI, Daihatsu, Yanmar, Niigata (Япония), Volvo Penta (Швеция) и др.

Особое место в судовой энергетике занимает судовой КМОД, работающий по 2-тактному циклу и имеющий частоту вращения до 300 мин-1. Высокая экономичность, а также большая агрегатная мощность (до 100 ООО кВт), высокий моторесурс и надежность ставят двигатели этого типа на первое место при выборе пропульсивной установки морского судна. Низкие обороты дизелей этого класса гарантируют не только высокую надежность и ресурс, но одновременно существенно упрощают прямую передачу мощности к гребному винту и обеспечивают высокую эффективность его работы.

Производство крейцкопфных судовых малооборотных дизелей является той областью дизелестроения, где техническое развитие происходит особенно динамично, а конкурентная борьба наиболее остра. Из семи фирм, выпускавших МОД собственной конструкции в 1970-е гг., к середине 1980-х гг. практически остались лишь три: MAN-Burmeister&Wain Diesel А/S(ФРГ-Дания) и Sulzer (Швейцария), на долю которых вместе с лицензиатами приходилось более 90% производимых в мире МОД, а также японская компания Mitsubishi Heavy Industries (MHI).

При этом у потребителей судовых дизелей за последние годы особенно возрос спрос на малооборотные двигатели с малым числом цилиндров, так как уменьшение числа цилиндров примерно пропорционально снижает расходы на обслуживание двигателя (на ремонт и запчасти). К тому же при более коротком и высоком двигателе рациональнее используется объем судна (рис. 1.1 ).

За истекшие 25-35 лет в конструкцию двухтактных двигателей были внесены радикальные изменения. Многие фирмы-производители отказались от контурных схем газообмена и перешли на более перспективную прямоточную схему, позволяющую реализовать в новых моделях дизелей чисто газотурбинный наддув.

Процесс сокращения числа фирменных марок, выпускаемых в мире МОД, сопровождается унификацией их конструкции. К компаниям МAN-B&W Diesel и MHI, которые на протяжении десятилетий строили малооборотные двигатели только с прямоточно-клапанной продувкой, присоединилось и объединение New Sulzer Diesel (NSD). Теперь основу производственной программы этой фирмы и ее лицензиатов составляют двигатели такой же конструктивной схемы.

Разработчики-лицензиары постоянно ведут научно-исследовательские и конструкторские работы, стремясь предугадать изменения требований рынка на перспективу. Эти работы требуют очень больших капиталовложений и сегодня под силу только таким крупным компаниям, как MAN-B&W Diesel, Mitsubishi и новая корпорация Sulzer- Wartsila (Финляндия), имеющим возможности соперничества и выпускающим МОД. При этом они базируются на общей для всех этих компаний философии: двухтактные крейцкопфные двигатели с прямоточно-клапанной продувкой, с одиночным выпускным клапаном, снабженным гидравлическим приводом, и турбонаддув постоянного давления.

Организация рабочего процесса. Феномен резкого увеличения экономичности современных малооборотных двигателей сводится к следующему:

• элемент длинноходности;
• увеличение при этом степени последующего расширения;
• использование газотурбинного изобарного наддува;
• повышение КПД турбокомпрессора (ТК);
• снижение частоты вращения.

За последние 10 лет экономичность дизелей возросла более чем на 15%. Достигнутые на МОД рекордные показатели топливной экономичности в контрактном поле максимальных длительных мощностей (МДМ) составляют 157-168 г/(кВт • ч). Диаметр цилиндров дизелей рассматриваемого класса находится в диапазоне 260-980 мм, значение хода - 980-3200 мм.

Создан новый класс машин - длинноходовые модели судовых дизелей. Это позволило использовать винты с большим диаметром и пониженной частотой вращения (50-100 мин—1 что открыло новые возможности повышения пропульсивного коэффициента судовых движителей, обусловив создание таких моделей.

Снижение мощности при уменьшении оборотов компенсируется увеличением объема цилиндра за счет роста S/D и дальнейшей форсировкой рабочего процесса по наддуву. При этом среднее эффективное давление увеличилось до 1,9-2,1 МПа. С другой стороны, рост отношения величины хода поршня к диаметру цилиндра (S/D) обеспечивает лучшие условия для развития факела топлива и повышает эффективность смесеобразования в камере сгорания за счет увеличения ее высоты, что в конечном счете способствует повышению эффективности рабочего процесса.

Существенную роль в улучшении воздухоснабжения судовых дизелей играет и применение изобарных систем наддува с более эффективными турбокомпрессорами. Воздухоснабжение, как правило, осуществляется основными газотурбонагнетателями и аварийными воздуходувками (рис. 1.2).

Агрегат системы турбонаддува крейцкопфного двигателя фирмы MAN-B&W Diesel

Повышение эффективности турбокомпрессоров было достигнуто за счет:

• увеличения площади сечения выпускного патрубка турбины;
• установки диффузора на выходе из колеса турбины;
• оптимизации формы входа в сопловой аппарат;
• увеличения габаритов фильтра воздуха компрессора;
• использования лопаток рабочего колеса компрессора, загнутых против вращения.

Выпускаемые современные МОД отвечают требованиям стандарта ISO и Международной морской организации IMO по экологическим показателям (в частности, концентрация выбросов оксидов азота NOx не превышает величины 12-14 г/(кВт•ч)). При этом удельные расходы масла на угар составляют не более 0,5-1,2 г/(кВт•ч), ресурс до капитального ремонта — 100-120 тыс. ч. Увеличение давления наддува, несмотря на повышение отношения хода к диаметру цилиндра, позволило снизить удельную массу до 40 кг/кВт.

Форсирование рабочего процесса двигателя за счет дальнейшего повышения давления наддува сопровождается увеличением тепловых потоков, передаваемых через стенки камеры сгорания в охлаждающую воду. А также повышением температур деталей ЦПГ, которые образуют камеру сгорания и испытывают наибольшие тепловые нагрузки. Достигнутые успехи в отношении снижения тепловой напряженности получены за счет колпачковой крышки (стальная кованая плита), втулки с рубашкой, поднятой над блоком, уменьшенного проходного сечения в охлаждающем пространстве, более совершенной конструкции поршня, охлаждаемого маслом, и, главное, резкого увеличения коэффициента избытка воздуха.

Интенсификация теплового процесса КМОД потребовала улучшения системы охлаждения втулок цилиндров, их крышек и поршней. При этом охлаждающую среду приближают к тепловоспринимаемым поверхностям путем использования каналов, выполняемых в головках поршней, крышках цилиндров и буртах втулок. Наличие глубоких каналов вблизи сильно нагретых поверхностей камеры сгорания обеспечивает снижение температур и тепловых нагрузок (рис. 1.3). Это обеспечивает тепловую напряженность на уровне 4-тактного ДВС.

Конструктивное исполнение деталей ЦПГ КМОД (Sulzer-Wartsila RTA)

Не менее важное значение приобретают механические нагрузки, вызываемые повышением давления газов в цилиндрах (максимальное давление составляет 13-18 МПа), увеличением диаметра цилиндров и снижением толщины стенки в двигателях последних модификаций. Поэтому для снижения тепловой и механической напряженности детали ЦПГ подкрепляют ребрами, а иногда детали разделяют на отдельные элементы для распределения нагрузок между ними. При этом внутренние части, образующие полость камеры сгорания, воспринимают тепловые, а внешние части — механические нагрузки. Количество колец на поршне при этом сократилось до четырех. Лазерная обработка рабочих поверхностей втулок МОД повысила их стойкость к абразивному износу на 60%. Расходы на дополнительную обработку втулок компенсируются снижением затрат на смазочное масло.

В связи с ростом механических нагрузок большое внимание уделяют жесткости конструкций и обеспечению минимальных деформаций. Высота двигателей возросла на 2-3 метра, несмотря на преднамеренное уменьшение длины шатуна в новых моделях. А это привело к росту усилия на крейцкопфные подшипники. Для конструктивного их усиления применяют тонкостенные многослойные вкладыши (сталь — алюминиево-оловянистый или сталь — свинцовисто-оловянистый сплав), имеющие повышенную усталостную прочность.

Утилизация тепловых потерь. Повышение эффективности рабочего процесса судовых дизелей, снижение расхода топлива, более полное использование его энергии непосредственно в двигателе не приводит однозначно к повышению эффективности энергоустановки в целом, так как меньше энергии остается для использования в теплоутилизационных судовых установках.

Например, у судовых КМОД серии L-МС/МСЕ фирмы MAN-B&W Diesel температура отходящих газов составляет 240-245°С против 325°С у модели L-GFCA. Повышение КПД судовых дизелей привело, как известно, к снижению эффективности систем утилизации.

Стремление снизить расход топлива на силовую установку в целом привело к созданию комбинированных систем глубокой утилизации тепла, включающих в свой состав утилизационный и валогенераторный комплексы.

Одним из решений проблемы утилизации, получившим широкое распространение, является применение турбокомпаундных систем (ТКС), состоящих из газовой силовой турбины, передачи и электрогенератора. Значительное повышение КПД турбонаддувочных агрегатов (свыше 70%) позволило использовать часть отработанных газов в силовом агрегате, представляющем собой малогабаритную газовую турбину, оснащенную редуктором и муфтой и связанную с утилизационным и валогенераторным комплексами.

Применение валогенератора позволяет получать электроэнергию более дешевую на основе того, что значение удельного расхода топлива у главного двигателя ниже, чем у дизель-генератора (ДГ). Помимо этого, экономятся средства, идущие на ремонт ДГ.

Существуют также схемы, в которых силовая турбина объединена в одном агрегате с паровой турбиной, работающей от утилизационного котла (рис. 1.4). В этом случае в зависимости от энергетических потребностей судна избыточная энергия, выработанная генератором силовой турбины, может передаваться на валогенератор, работающий в режиме электродвигателя и создающий дополнительный крутящий момент для вращения винта. Таким образом, турбокомпаундные системы в любом исполнении повышают КПД силовой установки, снижая при этом расход топлива на 5-8 г/(кВт•ч).

Анализ энергозатрат при экономии топлив на судах дает наибольший эффект при системном подходе. В этом случае рассматривается иерархическая схема, включающая всех потребителей энергии на судах. Здесь учитываются вопросы навигационные, гидро- и аэродинамики корпуса судна, состояние и состав механизмов СЭУ на определенном режиме, процесс генерирования электроэнергии, а также влияние износа оборудования и многое другое.

Рис. 1.4.
Повышение эффективности дизельной установки путем использования силовой турбины, турбогенератора и валогенератора:
1 — валогенератор (электродвигатель); 2 — утилизационный котел; 3 — генератор; 4 — электрощит; 5 — вспомогательный дизель; ТГ — турбогенератор; СТ — силовая турбина; ТК — турбокомпрессор.

Ассортимент современных тихоходных дизелей

Двухтактные длинноходовые крейцкопфные малооборотные двигатели с прямоточно-клапанной продувкой — основной тип главного двигателя на современных морских судах (около 70%). Их развитие характеризуется дальнейшим увеличением отношения хода поршня к диаметру цилиндра SID (более 4), что позволило уменьшить частоту вращения до 52-80 мин-1 и способствовало дальнейшему улучшению пропульсивных качеств судов. Снижение при этом удельных расходов топлива — результат оптимизации основных параметров (среднего эффективного давления, максимального давления сгорания), а также применения усовершенствованных систем наддува, продувки, топливоподачи, смесеобразования и горения.

Простота конструкции, высокая приспособляемость к системам дистанционного управления (ДАУ), высокая надежность, большой моторесурс и высокая экономичность являются отличительными чертами длинноходовых крейцкопфных дизелей. Это и определяет их преимущественное использование в качестве главных судовых двигателей (рис. 1.5).

В классе КМОД мировым лидером является компания MAN-B&W Diesel (MBD). По последним данным, на долю этой фирмы приходится порядка 58%, Sulzer (Wartsila) — 28%, Mitsubishi — 8%. Что касается новых достижений в развитии судовых малооборотных дизелей, то производственные программы ведущих фирм в последние годы претерпели существенные изменения.

Фирма MBD на ряде моделей малооборотных дизелей достигла наивысшего среди дизелей этого класса среднего эффективного давления (2,0 МПа и более) с величиной отношения хода поршня к диаметру цилиндра (S/D), равной 4,2. Фирма Sulzer (Wartsila) в настоящее время достигла агрегатной мощности более 90 ООО кВт в 14-цилиндровом исполнении (модель двигателя RTA 96С), фирма Mitsubishi выпускает судовые дизели мощностью до 50 ООО кВт (модель UEC85LSC).

Рис. 1.5.
Система ДАУ (Kongsberg Maritime) судового крейцкопфного малооборотного двигателя

MAN-B&W Diesel первоочередными задачами совершенствования МОД, стоящими сегодня перед конструкторами, считает:

1. надежность и легкость обслуживания;
2. снижение производственных затрат;
3. снижение удельного расхода топлива и повышение эффективности силовой установки в широком диапазоне нагрузок;
4. широкое использование в двигателе высоковязких топлив;
5. упрощение и облегчение монтажа двигателя на судне;
6. уменьшение доли вредных составляющих в выхлопных газах;
7. разработку интегрированных электронных систем управления и оптимизации режимов двигателей.

Основной объем выпускаемых MBD малооборотных крейцкопфных дизелей составляют двигатели нового поколения программы МС, наиболее популярные на мировом рынке и в настоящее время. Ни одна другая программа МОД не имеет столь большого разнообразия размерностей и модификаций, позволяющих подобрать идеальное сочетание мощности и частоты вращения вала двигателя для любых типов строящихся судов. Она непрерывно развивается: вводятся новые модификации двигателей, повышается мощность существующих моделей при одновременном совершенствовании их конструкции. Сейчас эта программа включает около 30 различных моделей двигателей с диаметром цилиндра от 260 до 980 мм и ходом поршня от 980 до 3200 мм и покрывает диапазон мощностей от 1100 до 80 ООО кВт при частотах вращения от 61 до 250 мин—1 (рис. 1.6).

Возможности гибкой настройки двигателя позволяют судостроителям выбрать для оптимизации пропульсивного КПД движителя любую постоянную частоту вращения. Конструктивными параметрами машины учтены и такие ключевые для выбора силовой установки факторы, как планируемая скорость, диаметр гребного винта и размеры двигателя.

Рис. 1.6.
Длинноходовая модель судового дизеля тип МС фирмы MBD

Идя навстречу запросам рынка торговых судов, фирма MAN-B&W Diesel дополнила семейство длинноходовых (SID = 3,24) дизелей типоразмерного ряда серии L-MC/MCE еще более длинноходовыми модификациями серии S-MC/MCE для привода гребных винтов большого диаметра с частотой вращения 63-123 мин-1 (S/D = 3,82).

Одновременно для использования на судах, осадка которых требует применения винтов меньших размеров (быстроходные контейнеровозы, ролкеры), были спроектированы модификации дизелей серии К-МС/МСЕ с уменьшенным ходом поршня (SID = 3,0). Следует отметить, что варианты S, L и К при одном и том же диаметре цилиндра имеют практически одинаковые значения удельного расхода топлива.

Результатом изысканий по совершенствованию моделей типа МС стало появление серии двигателей новейшей «компактной» модификации МС-С с теми же диаметрами цилиндров, но с повышенной мощностью (соответственно повышению среднего эффективного давления с 1,8 до 1,9 МПа) и увеличенным на 4-5% ходом поршня (S/D = 4,0-4,2). Новые двигатели серии МС-С имеют увеличенную примерно на 10% мощность при сниженных на 10% длине и массе по сравнению с соответствующими двигателями МС (рис. 1.7).

Рис. 1.7.
Судовой дизель типа МС-С фирмы MAN-B&W Diesel

Двигатели «компактной» версии нашли широкое применение на судовом рынке. Интерес судовладельцев к двигателям новой модификации вызван такими их привлекательными качествами, как эксплуатационная надежность, экологическая безопасность, существенно сниженные размеры и, как следствие, высокая удельная мощность и низкая производственная стоимость деталей и конструкции в целом.

Примером гибкости в смене основных направлений конструкторских разработок является выпущенный MAN-B&W в предвидении перспективных потребностей мирового рынка двигатель К98МС-С с диаметром цилиндра 980 мм. Двигатель К98МС-С является экстраполяцией очень удачной модели К90МС-С с укороченным ходом поршня для быстроходных контейнеровозов, на которых из-за лимитированной осадки необходимо использовать гребной винт уменьшенного диаметра при большей частоте вращения.

Длинноходовые МОД фирмы Sulzer-Wartsila, представленные на мировом рынке дизелями серии RTA, в своем первоначальном виде тоже выглядели достаточно стройно: все модели (с диаметром цилиндров 380, 480, 580, 760 и 840 мм) имели отношение (S/D), равное 2,9, а соседние модели различались по диаметру на 80 или 100 мм (рис. 1.8). Эти судовые двигатели имели успех на мировом рынке, однако добиться преимущества над объединением MAN-B&W не удалось.

Рис. 1.8.
Девятицилиндровый КМОД фирмы Sulzer-Wartsila (9RTA96C)

Стремясь повысить конкурентоспособность своих малооборотных дизелей, фирма Sulzer-Wartsila создала внутри семейства дизелей серии RTA модели нового поколения с отношением S/D = 3,45-3,47: RTA52, RTA62, RTA72 и RTA84M. Все они отличаются пониженной частотой вращения при сохранении среднего эффективного давления, равного 1,66 МПа. Двигатель серии RTA84M в значительной степени унифицирован с RTA84, но благодаря длинноходности имеет несколько меньший расход топлива (на 1-2 г/(кВт •ч)).

Дизели марок RTA52 и RTA62 спроектированы на базе дизелей меньшей размерности (соответственно RTA48 и RTA58), причем особое внимание уделено их компактности: расстояния между осями цилиндров практически не увеличились, высота возросла лишь незначительно (благодаря применению укороченных шатунов).

Двигатель конструкции RTA84T является модификацией известной модели RTA84M, но с увеличенным до 3150 мм ходом поршня, чем было достигнуто значительное уменьшение частоты вращения коленчатого вала до 54 мин-1. Самой крупной моделью по диаметру цилиндра и агрегатной мощности, разработанной и выпущенной фирмой Sulzer-Wartsila, стал двигатель марки RTA96C (D = 960 мм, S = 2500 мм) для нового поколения быстроходных контейнеровозов.

При разработке фирмой Sulzer-Wartsila новых моделей нашли широкое применение как турбокомпаундные системы, так и микропроцессорные устройства для управления топливоподачей и газообменом с целью улучшения топливной экономичности в широком диапазоне нагрузок выпускаемых дизелей.

Значительный прогресс достигнут за последние годы и японской компанией Mitsubishi, причем, учитывая конъюнктуру мирового рынка, она сосредоточила свои усилия на совершенствовании МОД малых и средних размеров (D = 370, 500 и 600 мм).

Первым двигателем из класса длинноходовых МОД был двигатель серии UEC-L (6UEC52L). Разработанные затем новые модификации этих двигателей получили общее наименование UEC-LA (S/D = 3,0-3,17). По мощности и основным размерам они не отличались от соответствующих моделей UEC-L, но имели улучшенный примерно на 7 г/(кВт•ч) расход топлива благодаря применению новых турбокомпрессоров MET-SC в сочетании с усовершенствованными системами впрыска и газообмена. Позже фирма сообщила о разработке еще более длинноходовой серии UEC-LS (S/D = 3,56-3,67).

Вторжение фирмы Mitsubishi в область дизелей с цилиндрами большого диаметра, где на протяжении многих лет безраздельно властвовали MAN-B&W и Sulzer, произошло с выпуском двигателя марки UEC75LS11. Двигатель с D = 750 мм и S = 2800 мм (S/D = 3,7) имел максимальную цилиндровую мощность 2940 кВт на частотах вращения от 63 до 84 мин-1. Выпуском фирмой серии двигателей марки UEC85LS11 (D = 850 мм, S = 3150 мм) началось последующее освоение рынка длинноходовых дизелей большого диаметра. Двигатели марки UEC50LS11, имеющие отношение SID = 3,9, перекрывают диапазон мощностей 5500-15 900 кВт.

Российские дизелестроительные предприятия пошли по пути приобретения лицензий на производство судовых дизелей у ведущих зарубежных фирм: MAN-B&W Diesel, S.E.M.T. Pielstick (Франция), Wartsila (Финляндия) и т. д.

Брянский машиностроительный завод (БМЗ), являющийся лицензиатом современного дизелестроительного объединения MAN — Burmeister&Wain Diesel A/S, успешно работал на рынке КМОД. Так как фирма-лицензиар непрерывно совершенствовала «программу» своих машин, улучшая их конструкцию, повышая надежность и требования к «экологической чистоте», БМЗ постоянно модернизировал свое оборудование и осваивал выпуск все более современных дизелей этой фирмы (последняя модель «компактных» двигателей серии МС-С). Но в связи со сложной конъюнктурой рынка в настоящее время программа производства судовых дизелей приостановлена.

Эпохальным событием на современном рынке судовых дизелей стало появление двигателей, имеющих системы электронного управления и контроля параметров двигателя, а также безразборной функциональной технической диагностики (рис. 1.9). Опыт эксплуатации двигателей с электронным управлением показал достаточно высокую их надежность.

Рис. 1.9.
Структура электронного управления дизеля типа ME (MAN-B&W): ТП — топливоподача; ГО — газообмен.

Электронное управление позволяет осуществлять гибкое управление двигателем в зависимости от преследуемой цели управления и конкретного режима работы двигателя. Одним из основных достоинств двигателей такого типа является более низкий расход топлива на эксплуатационных режимах работы (в диапазоне мощности от 50 до 85% от номинальной). Расход топлива двигателей, например, серии МЕ (фирма MAN-B&W) достигает предельно низкой величины — 155 г/(кВт•ч).

Более высокая экономичность двигателя достигается тем, что фазы и интенсивность впрыскивания топлива, а также фазы открытия и закрытия выпускного клапана являются оптимальными при всех постоянных и переходных нагрузках. В двигателе этого типа предусматривается непрерывный контроль параметров (мониторинг) цилиндров двигателя и автоматическое поддержание одинаковой нагрузки по всем цилиндрам. Это повышает надежность работы двигателя в целом и увеличивает периоды между вскрытиями цилиндров (рис. 1.10).

Интенсивное впрыскивание топлива в цилиндр двигателя и стабильная регулировка цикловой подачи независимо от eгo скоростного режима обеспечивают устойчивую работу при частоте вращения коленчатого вала, которая составляет всего лишь 10-12% от номинальных оборотов дизеля. Гибкое электронное регулирование топливной аппаратурой и системой газораспределения позволяет настраивать двигатель на различные «низкоэмиссионные режимы», при которых концентрация окислов азота (NOx) может быть существенно ниже.

Двигатель с электронным управлением имеет значительно лучшие свойства приемистости. Так как оперативное управление фазой открытия выпускных клапанов позволяет интенсивнее разгонять ротор ТК, тем самым быстрее повышая давление продувочного воздуха. А это позволяет более динамично увеличивать подачу топлива в цилиндры, что играет важную роль при выполнении маневренных операций.

Электронный блок FCM-20 (а) и пульт управления (6) системы WECS-9520 двигателя типа RT-flex

Для оценки технического состояния, энергетическая установка оснащается комплексом приборов диагностического контроля за техническим состоянием оборудования, обеспечивающих их техническое обслуживание по состоянию. Этот комплекс включает как встроенные компьютеризированные системы, так и ряд специализированных приборов, таких как виброметры, тепловизоры, эндоскопы и др. Опыт показывает, что применение таких приборов позволяет снизить затраты на техническое обслуживание примерно на 20-25% без снижения надежности.

Литература

Судовые дизельные двигатели. Осипов О. В., Воробьев Б. Н. (2018)

• Аккумуляторная система топливоподачи фирмы WÄRTSILÄ
• Wärtsilä 34DF - Разработка, обработка и установка трубопроводов
• Wärtsilä 34DF - Описание двигателя и технические данные
• Wärtsilä 34DF - рабочие диапазоны
• Wärtsilä 34DF - Основные данные и мощность