Определения
Основные компоненты и системы
Основные массогабаритные показатели указаны в главе «Основные данные и мощность».
БЛОК ЦИЛИНДРОВ
Блок цилиндров для всех цилиндровых конфигураций представляет собой цельный литой компонент из шарового чугуна. Он имеет жесткую и долговечную конструкцию для восприятия внутренних усилий и обеспечения монтажа двигателя на амортизаторах без промежуточного фундамента.
Двигатель оборудован подвесным коленвалом, удерживаемым в корпусах рамовых подшипником. Корпуса рамовых подшипников и шарового чугуна устанавливаются в блок снизу на двух шпильках с гидравлической затяжкой. Они фиксируются в блоке в продольном направлении сверху и снизу. Горизонтальные боковые винты в гидравлической затяжкой в нижних направляющих обеспечивают очень жесткую конструкцию рамовых подшипников.
Гидравлический домкрат с опорой в масляном картере обеспечивает возможность выемки и подъема корпусов рамовых подшипников, например при их инспекции. Смазочное масло подводится к подшипникам и поршню через этот домкрат. Комбинированный маховиковый/упорный подшипник находится на приводном конце двигателя. Масляный картер облегченной сварной конструкции крепится к блоку снизу и уплотняется кольцевыми прокладками.
Масляный картер – сухого типа, в нем имеется главный распределительный трубопровод смазочного масла. С обоих концов сухого картера предусмотрен слив масла в отдельный системный танк. При ограничениях по высоте рядные двигатели могут поставляться с низком масляным картером, однако в не могут устанавливаться домкраты.
КОЛЕНЧАТЫЙ ВАЛ
Основным критерием проектирования коленвала является надежность, обеспечиваемая очень низкими нагрузками на подшипники. Высокая осевая и крутильная жесткость достигается умеренным отношением диаметра цилиндра к ходу поршня. Коленвал удовлетворяем требования всех классификационных обществ. Коленвал представляет собой цельнокованый компонент, подвешиваемый снизу в блоке двигателя. В V- образных двигателях шатуны крепятся парами на одной шатунной шейке для достижения высокой степени стандартизации. Размер шеек одинаковый вне зависимости от числа цилиндров.
Коленвал полностью сбалансирован с помощью противовесов на каждой шатунной шейке для противодействия эксцентрическим нагрузкам на подшипники. В результате на всех подшипниках формируется равномерная и толстая масляная пленка. При необходимости коленвал оборудуется демпфером крутильных колебаний.
Шестерня привода насосов и демпфер устанавливаются на коленвалу на болтах со свободного конца двигателя.
ШАТУН
Шатун изготовлен из кованной легированной стали. Он имеет трехкомпонентную конструкцию, обеспечивающую минимальную демонтажную высоту, позволяющую снять шатун без разборки мотылевого подшипника. Все шпильки шатуна имеют гидравлическую затяжку. Масло подается к подшипнику поршневого пальца и поршню через сверление в шатуне. Подшипник поршневого пальца – трехкомпонентного типа.
РАМОВЫЕ И МОТЫЛЕВЫЕ ПОДШИПНИКИ
Рамовые подшипники состоят из двух заменяемых прецизионных вкладышей, верхнего и нижнего. Длина окружности обоих вкладышей несколько больше корпуса, за счет чего достигается их фиксация в корпусе. Рамовый подшипник, расположенный ближе всего к маховику обеспечивает дополнительную поддержку для маховика и муфты. Четыре упорных сегмента подшипника обеспечивают осевую направляющую для коленвала.
Рамовые и мотылевые подшипники имеют трехкомпонентную конструкцию типа «свинец и бронза на стали» с толстым и мягким опорным слоем.
ЦИЛИНДРОВАЯ ВТУЛКА
Цилиндровые втулки изготавливаются центробежным литьём из специального серого чугуна, который обладает высокой износостойкостью и прочностью. Конструкция дополняется высокой и жесткой кромкой, делающей ее устойчивой к деформации. Свободная от деформации форма втулки в сочетании с прекрасной смазкой улучшает условия работы поршня и поршневых колец и снижает износ.
Втулка мокрого типа; она изолирована от блока металлическим уплотнением в верхней части и уплотнительными кольцами в нижней части. Точный контроль температуры цилиндровой втулки достигается оптимальным расположением продольных каналов охлаждения. Для устранения риска полировки втулка оборудована нагаросъемным кольцом.
ПОРШЕНЬ
Поршень сделан из композитного материала – юбка из шаровидного чугуна, головка поршня из стали. Юбка поршня смазывается принудительно, что гарантирует хорошо контролируемый расход масла в гильзе цилиндра во всех режимах работы. Масло подаётся через шатун в охлаждающее пространство поршня. Поршень охлаждается по принципу шейкера коктейля. Канавки поршневого кольца в верхней части поршня подвергаются закалке для лучшей сопротивляемости износу.
ПОРШНЕВЫЕ КОЛЬЦА
Набор поршневых колец состоит из двух направленных компрессионных колец и одного соответственно подпружиненного маслосъемного кольца. Все кольца хромированы, находятся в головке поршня.
КРЫШКА ЦИЛИНДРА
Цилиндровая крышка выполнена из чугуна; основной критерий проектирования – высокая надежность и простота обслуживания. Механическая нагрузка поглощается прочной промежуточной составляющей, которая, вместе с верхней составляющей, и боковыми сторонами образуют замкнутую область, в четырёх углах которой расположены гидравлически затягиваемые болты крепления цилиндровой втулки.
В цилиндровой крышке имеются два впускных и два выпускных клапана на цилиндр. Все клапаны оборудованы ротокапами. Клетки клапанов не применяются, что обеспечивает очень хорошую газодинамику. Основной критерий проектирования выпускных клапанов – поддержание правильной температуры путем точно контролируемого водяного охлаждения седла выпускного клапана.
Подверженная нагреву поверхность эффективно охлаждается охлаждающей водой, радиально подводимой от периферии к центру цилиндровой крышки. Соединения между охлаждающими каналами клапанов просверлены для наиболее лучшего теплообмена.
РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЙ ВАЛ И КЛАПАННЫЙ МЕХАНИЗМ
На каждый цилиндр приходится по кулачку, они разделены между собой отдельными подшипниками. Кулачки и шейки распредвала крепятся друг к другу фланцевыми соединениями. Штампованные, полностью закаленные части распредвала имеют неподвижные кулачки. Корпуса подшипников интегрированы в отливке блока цилиндров, поэтому практически закрыты. Монтаж и демонтаж подшипников выполняется гидравлическим приспособлением. Крышки распредвала (одна на каждый цилиндр) уплотнены по отношению к блоку цилиндра замкнутым уплотнителем круглого сечения.
Направляющие привода клапанов интегрированы в блок двигателя. Толкатели клапана – поршневого типа, с саморегулирующимся роликом по отношению к кулачку для равномерного распределения контактного напряжения. Пружины клапана обеспечивают динамическую устойчивость механизма клапана.
ПРИВОД РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО ВАЛА
Привод распредвала осуществляется через зубчатую передачу от коленвала. Передаточная шестерня крепится к коленвалу на фланцевом соединении.
ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА
Двигатель Wärtsilä 50DF рассчитан на длительную работу на газовом топливе (природный газ) или дизельном топливе (MDF). Также возможна работа двигателя на тяжелом топливе (HFO). Для работы многотопливного двигателя требуется внешняя система подачи газового топлива и подачи жидкого топлива. Более подробное описание системы см. в главе «Топливная система».
Система газового топлива
Система газового топлива на двигателе состоит из следующих навешенных компонентов:
- Трубопровод низкого давления магистрали (common rail) газового топлива
- Впускной газовый клапан в каждой цилиндровой крышке
- Предохранительные фильтры на каждом впускном газовом клапане
- Вентиляционный клапан магистрали (Common rail)
- Двустенные газовые трубки
По магистрали газовое топливо подается к каждому впускному клапану. Магистраль представляет собой сварную одностенную трубу увеличенного диаметра, которая одновременно служит аккумулятором давления. По газовым трубкам газовое топливо из магистрали подводится к впускным клапанам, установленным в каждой цилиндровой крышке.
Впускные газовые клапаны имеют электронное управление; они раскрываются для подачи в каждый отдельный цилиндр правильного количества газа. Впускные газовые клапаны управляются системой управления двигателя, регулирующей частоту вращения и мощность двигателя. Клапаны установлены на цилиндровых крышках (у V-образных двигателей) или во впускных патрубках цилиндровых крышек (у рядных двигателей). Впускной клапан представляет собой соленоидный клапан с прямым приводом. Клапан закрывается пружиной (положительное уплотнение) при отсутствии электрического сигнала. Система управления двигателя может регулировать количество газа, подаваемого в каждый отдельный цилиндр при работе двигателя для выравнивания его нагрузки. Впускной газовый клапан также оборудован предохранительным клапаном (90 μm).
Вентиляционный клапан трубы газовой магистрали используется для сбрасывания давления в магистрали при переходе из газового в дизельный режим работы. Клапан имеет пневматический привод и управляется системой управления двигателя.
Газовый фильтр тонкой очистки представляет собой полнопроточный блок, не допускающий попадания загрязнений в систему газового топлива. Абсолютный размер ячейки фильтра – 5 микрон (0.5 μm при 98.5% отделении). При использовании двустенных газопроводов фильтр устанавливается во внешней системе.
Впрыск основного дизельного топлива
Система впрыска основного дизельного топлива используется при работе двигателя в дизельном режиме.
Когда двигатель работает в газовом режиме, происходит постоянная циркуляция в системе основного дизельного топлива, постоянно обеспечивающая возможность мгновенного переключения в дизельный режим.
Внутренняя система впрыска основного дизельного топлива состоит из следующего оборудования, на каждый цилиндр:
- Топливный насос
- Трубка высокого давления
- Сдвоенная форсунка (для впрыска основного и запального топлива)
Конструкция топливного насоса – монокомпонентного типа; насос рассчитан на давление впрыска до 150 МПа. Топливные насосы имеют встроенные эксцентрики; они также оборудованы пневматическими стоп-цилиндрами, подключенными к системе защиты от заброса оборотов.
Впрыскная трубка высокого давления соединяет насос впрыска с форсункой. Трубки двустенные, экранированные, располагаются в хорошо защищающем их хот-боксе двигателя.
Сдвоенная форсунка представляет собой комбинированную форсунку впрыска основного и запального топлива, установленную в центре цилиндровой крышки. Узел впрыска основного топлива форсунки имеет традиционную конструкцию игольчатого пружинного клапана.
В хот-боксе установлена вся топливная аппаратура основного топлива и системные трубопроводы, что обеспечивает максимальную надежность и безопасность. Сторона высокого давления системы основного дизельного топлива, таким образом, полностью отделена от выхлопной системы и полостей смазочного масла двигателя. Любые протечки внутри хот-бокса отводятся для предотвращения смешивания топлива со смазочным маслом. По той же причине насосы впрыска полностью изолированы от полости распредвала.
Впрыск запального топлива
Система впрыска запального топлива используется для зажигания воздушно-газовой смеси в цилиндре при работе двигателя в газовом режиме. Для системы впрыска запального топлива используется та же внешняя система подачи топлива, что и для системы основного дизельного топлива.
Система запального топлива состоит из следующих навешенных компонентов:
- Фильтр запального топлива
- Насос высокого давления топливной магистрали (common rail)
- Трубопроводов топливной магистрали (common rail)
- Сдвоенной форсунки на каждый цилиндр
Фильтр запального топлива представляет собой полнопроточный сдвоенный блок, не допускающий попадания загрязнений в систему запального топлива. Размер ячейки фильтра – 10 микрон. Насос запального топлива высокого давления имеет привод от двигателя для дизель-электрических установок привода генератора и электропривод для двигателей привода гребных винтов, работающих на переменной частоте вращения. Насос запального топлива устанавливается со свободного конца двигателя. Давление подаваемого топлива контролируется системой управления двигателя и составляет примерно 100 МПа.
Запальное топливо под давлением подается от насоса к трубопроводу топливной магистрали (common rail) малого диаметра. По магистрали запальное топливо поступает в каждую форсунку; магистраль также выполняет функцию аккумулятора давления для предотвращения колебаний давления. Трубки высокого давления двустенные, экранированные, располагаются в хорошо защищающем их хот-боксе двигателя. По этим трубкам топливо от магистрали поступает к форсункам.
Блок запального топлива сдвоенной форсунки оборудован игольчатым распылителем с приводом от соленоида, управляемого системой управления двигателя. Запальное топливо подается по соединениям высокого давления в корпус распылителя. Когда двигатель работает в дизельном режиме, впрыск запального топлива продолжается для содержания в чистоте углы распылителя.
ВЫПУСКНЫЕ ПАТРУБКИ
Патрубки выпускного коллектора выполнены из специального жароустойчивого литого шарового чугуна. Соединения на цилиндровых крышках – типа обжимного кольца.
Вся система отвода отработавшего газа размещена в изолированной коробке, состоящей из легко убираемых панелей. В качестве изоляционного материала используется минеральная вата.
СИСТЕМА СМАЗОЧНОГО МАСЛА
Внутренняя система смазочного масла двигателя состоит, в основном, из насоса с приводом от двигателя с регулировочным клапаном, основного распределительного трубопровода, обкаточных фильтров и перепускного фильтра центробежного типа. Прочее оборудование – во внешней системе.
Более подробно система смазочного масла рассматривается далее, в главе «Система смазочного масла».
СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ
Система водяного охлаждения разделена на низкотемпературный (НТ) и высокотемпературный (ВТ) контуры. Внутренняя система охлаждения двигателя состоит из насосов НТ и ВТ контуров с приводом от двигателя, контуров охлаждения цилиндровых крышек и втулок и воздушных холодильников НТ и ВТ контуров. Все прочее оборудование – во внешней системе. Более подробно система охлаждения рассматривается в главе «Система охлаждения».
ТУРБОНАДДУВ И ОХЛАЖДЕНИЕ НАДДУВНОГО ВОЗДУХА
Система турбонаддува SPEX (Single Pipe Exhaust system) сочетает в себе преимущества как импульсной системы, так и системы постоянного давления. Выхлопной коллектор полностью помещается в теплоизоляционном кожухе, что обеспечивает низкую температуру поверхности двигателя.
Рядные двигатели оборудованы одним ГТН, а V-образные – по одному ГТН на каждый ряд цилиндров. ГТН расположены в поперечном направлении со свободного конца двигателя. Выхлопной патрубок может быть вертикальным, горизонтальным или наклоненным в продольном направлении.
Для оптимизации системы турбонаддува для работы на высоких и низких нагрузках, а также для работы в дизельном и газовом режиме со стороны выхлопного газа в системе предусмотрен разгрузочный клапан (waste gate). Этот разгрузочный клапан используется на высоких нагрузках.
В качестве стандартного используется воздушный холодильник 2-х ступенчатого типа, состоящий из НТ и ВТ ступеней. В обоих контурах используется пресная вода.
Для промывки ГТН во время работы двигатель в стандартном исполнении оборудован водяным промывочным устройством, как с воздушной стороны, так и с выхлопной стороны.
ГТН поставляется с втулочными подшипниками, что обеспечивает простоту обслуживания блока со стороны компрессора. Смазка ГТН осуществляется смазочным маслом двигателя по интегрированным масляным каналам.
СИСТЕМА АВТОМАТИКИ
Двигатель Wärtsilä 50DF оборудован модульной встроенной системой автоматики Wärtsilä Unified Controls - UNIC.
Система UNIC имеет аппаратно реализованный интерфейс функций управления и программируемый шинный интерфейс АПС и контроля параметров. Блок защиты двигателя и местная панель управления установлены на двигателе. Модуль защиты двигателя отрабатывает основные функции защиты, например автоматическую остановку по забросу оборотов и давлению смазочного масла. Блок защиты также выполняет обнаружение неисправностей по критическим сигналам и оповещает систему АПС об обнаруженных неисправностях. Местная панель управления оборудована кнопками местного пуска/остановки и перезагрузки автоматической остановки, а также дисплеем, на который выводятся наиболее важные рабочие параметры. Управление частотой вращения входит в объем системы автоматики на двигателе.
Все необходимые функции управления двигателем, обмен данными по интерфейсной шине с внешними системами, подключение более сложного блока местного дисплея и управление впрыском топлива отрабатываются навешенным на двигателе оборудованием.
На двигателе применяются стандартные промышленные кабели; количество подключений сведено к минимуму.
Питание, связь по шине обмена данными и критические функции защиты дублируются. Все кабели к/от внешних систем подключаются к клеммам в главной панели на двигателе.
Поперечный разрез двигателя
Кожух свободного конца двигателя
Все насосы с приводом от двигателя устанавливаются на кожухе свободного конца. В случае использования демпфера крутильных колебаний, таковой полностью закрывается кожухом свободного конца.
Интервалы между капитальными ремонтами и расчетный срок службы
Приведённые интервалы между капитальными ремонтами приведены и сроки службы в качестве рекомендаций. Действительные значения будут отличаться в зависимости от условий эксплуатации, средней нагрузки двигателя, качества используемого топлива, системы топливоподготовки, качества ТО и т.д. расчетные сроки службы компонентов откорректированы для соответствия интервалам ТО.
Литература
Двухтопливные двигатели WARTSILA 50DF руководство по проектированию [2010]
