Ошибки в тепловом расчете ЦПГ дизеля, и прежде всего поршня, чаще всего происходят вследствие высокой тепловой напряженности детали, с которой не справляется система охлаждения.
Если бы в результате теплового расчета были получены величины теплонапряженности деталей ЦПГ более низкие, чем те, которые считаются нормой, такую ошибку судовые механики не могли бы обнаружить. Наоборот, дизель с такой ошибкой в расчете считался бы надежным в эксплуатации. Умеренная теплонапря-женность деталей служила бы их защитой от повреждений, свойственных высокой теплонапряженности.
Как видно из многих литературных источников, наиболее неблагополучными дизелями в смысле высокой теплонапряженности головок поршней, явно недоучтенной конструкторами, являются дизели МАН K6Z57/80C (установлены на пассажирских судах типа «Михаил Калинин», на серии сухогрузных судов-типа «Шенкурск» и танкерах типа «Повенец»). Дизели построены самой фирмой и одним из ее лицензиатов — машиностроительным заводом в Ростоке (ГДР). Основные характеристики: N= = 3990 э. л. с. при n = 225 об/мин; pn = 7,4 кгс/см2; D = 570 мм; S = 800 мм; охлаждение поршней масляное.
Первыми судами, на которых установили такие дизели, были теплоходы типа «Михаил Калинин». После правильно проведенной обкатки эксплуатационная мощность дизелей была установлена близкой к номинальной. Но уже спустя 3500—4000 ч работы у стальных головок поршней были обнаружены очаги явного прогорания днищ и кромок, перехода днища в вертикальную часть. Это говорило о недопустимо высокой температуре, при которой работали головки поршней. При осмотре головок со стороны охлаждаемой поверхности оказалось, что она покрыта (особенно в верхней части) слоем трудно удалимого нагара толщиной 3—3,5 мм.
На построенном позже однотипном теплоходе «Феликс Дзержинский» после 3975 ч эксплуатации дизелей обнаружилось, что 9 поршней из 12 имеют круговые трещины, причем две из них сквозные. На поверхности днищ поршней имелись явные следы обгорания. Трещины на всех головках располагались со стороны выхлопных окон.
При осмотре внутренних полостей головок поршней со стороны днища против кольцевой поверхности вытеснителей было обнаружено отложение кокса, состоящего из двух слоев: первый слой, непосредственно прилегающий к металлу—твердый, трудноудаляемый, толщиной 1—1,5 мм, что указывает на длительный процесс его образования; второй — рыхлый, легкоудаляемый, толщиной 3—5 мм. В центральной части головок отложений не оказалось. При разборке поршней выяснилось, кроме того, что вытеснители имеют отверстия, не предусмотренные рабочими чертежами.
По заключению аварийной комиссии причинами коксообразования и трещин в головках поршней послужили: высокая теплонапряженность цилиндра-пенообразование и насыщенность циркуляционного масла пузырьками газов; наличие отверстий в вытеснителях не предусмотренных чертежом и инструкцией.
Особое внимание эксперты обратили на последнюю причину. Они пришли к выводу, что наличие не предусмотренных чертежом отверстий резко ухудшает отвод тепла и циркуляцию охлаждающего масла в районе образования трещин, так как основной поток масла проходит через отверстия, минуя участки днища поршней, требующие наиболее интенсивного охлаждения.
При исследовании металла, из которого изготовлены головки, определили ею химический состав. По ГОСТу этот состав приблизительно соответствует марке стали Ст. 50, которую не применяют для изготовления деталей работающих в тяжелых температурных условиях. В рассматриваемых же дизелях МАН марки K6Z57/80C температура наиболее нагретых зон головки поршня достигает 390°С. Следовательно, налицо еще и четвертая причина выхода из строя головок поршней: применение материала, не соответствующего условиям работы.
Подобная картина наблюдалась и на однотипных пассажирских судах Дальневосточного пароходства, в частности, на теплоходе «Серго Орджоникидзе». После первого года эксплуатации дизеля K6Z57/80C стало ясно, что получить мощность в 4000 э. л. с. невозможно. Требовалось коренным образом пересмотреть систему охлаждения поршней и принять другие меры для обеспечения надежности дизеля.
Прежде всего специалисты фирмы МАН пришли к выводу о том, что головки поршней следует изготавливать не из конструкционной стали, а из хромомолибде-новой малолегированной. Последовательно, одна за другой, были разработаны и применены три конструкции вытеснителей масла в головках поршней. Уже после применения первой из них условия работы головок поршней значительно улучшились.
На теплоходе «Латвия», где были установлены вытеснители новой конструкции, после 3000—3600 ч работы головки поршней и полости их охлаждения были в хорошем состоянии. Слой нагара на днищах поршней со стороны охлаждения был незначительным.
То же самое свидетельствует и Н. Д. Малахов. При осмотре после 3000 ч работы вытеснителей новой конструкции выгораний и трещин в днищах поршней не было обнаружено, внутренние поверхности головки в основном были чистыми, но на периферии местами былй обнаружены отложения смолистого вязкого вещества толщиной около 1—2 мм.
Однако несмотря на троекратное усовершенствование конструкции вытеснителя, теплонапряженность головок поршней дизелей остается очень высокой. Возможно, ошибка конструкторов заключалась в выборе охлаждающей жидкости. Если бы в виде охлаждающей жидкости применили воду, а не масло, теплонапряженность головок поршней понизилась на 50—60°.
Рис. 17. Температурные поля головки поршня двухтактного дизеля с масляной и водяной системами охлаждения
Г. А. Давыдов и М. К. Овсянников приводят схему температурных полей головки поршня дизеля K6Z57/80C в двух вариантах охлаждения — масляном (рис. 17, а) и водяном (рис. 17,6). Сравнение температурных полей настолько убедительно говорит в пользу водяного охлаждения, что пояснения здесь излишни.
Разумеется, переход с масляного охлаждения на водяное требует коренной переделки всей системы охлаждения, но это, по-видимому, наиболее рациональный способ снижения теплонапряженности головок поршней этого дизеля.
Ошибка в выборе охлаждающей жидкости была допущена и в конструкции дизелей МАН марки K7Z78/140. В БМП эти дизели были установлены только на двух теплоходах — «Архангельск» и «Балтийск». Головки поршней дизелей имели масляное охлаждение. Предусмотренный фирмой диаметральный зазор 5 мм между втулкой цилиндра и верхней кромкой головки поршня при плавании судна в тропической зоне оказывался недостаточным. Головка поршня настолько перегревалась, что зазор выбирался полностью, появлялись стуки в цилиндрах, снижалась частота вращения дизеля и заканчивалось это задирами цилиндровой втулки и головки поршня.
Особенно тяжелый случай такого задира произошел в цилиндре № 1 дизеля теплохода «Архангельск» после того, как механики, выполняя инструкцию завода-строителя, прикрыли отливные клапаны системы охлаждения. После смены втулки и поршня № 1 были осмотрены другие цилиндры и оказалось, что мелкие трещины и задиры имеются почти на всех деталях.
При дальнейшей эксплуатации этих дизелей на теплоходах «Архангельск» и «Балтийск» днища поршней выгорали иногда на глубину до 12 мм, а на охлаждаемой поверхности днища после 1500 ч работы образовывался слой кокса толщиной до 2 мм.
Ошибки в тепловом расчете и в конструкции системы охлаждения дизеля K7Z78/140 были настолько очевидны, что фирма сняла их с производства. По-видимому, и в этом случае, водяное охлаждение поршней было бы более эффективным.
По какому-то недоразумению на дизелях марки 8SV55uA поршни диаметром 365 мм вообще оставлены без охлаждения, в результате чего через 1500—2000 ч работы верхнее кольцо полностью теряет подвижность, а второе кольцо местами зависает. Положение усугубляется тем, что продувочный воздух после турбонагнетателя не имеет охлаждения.
На судах типа «Андижан», где установлены эти дизели, происходили задиры поршней и втулок с тяжелыми последствиями, требовавшими замены этих деталей. На теплоходе «Андижан» в августе 1963 г. вследствие сильного нагрева и заедания поршня в цилиндре № 8 в картере произошел взрыв, разрушивший торцевую стенку картера.
Из-за многочисленных недостатков дизель 8SV55uA вскоре был снят с производства.
Если пределы температурных перепадов и максимальных температур днищ поршней обусловливаются только физико-механическими свойствами металла днища, то для втулок решающим фактором является такой температурный предел рабочей поверхности, при котором цилиндровое масло полностью сохраняет свои свойства. Опытами установлено, что у современных мощных судовых дизелей температура рабочей поверхности втулки в районе камеры сгорания находится в пределах 190—200°С. При высокой тепловой напряженности этих дизелей меньшие температуры просто недостижимы, хотя и очень желательны.
Температурные поля стенок втулок, приводимые во многих трудах, являются средними, рассчитанными на нормальные условия работы. Однако вследствие нарушений режима нормальной работы дизеля температурный уровень полей эпизодически повышается.
При достижении температуры, предельно допустимой для данного масла, оно начинает окисляться, выделяя сложные органические соединения — оксикислоты. Эти оксикислоты отлагаются на горячих поверхностях и конденсируются в тяжелые лаковые отложения. В дальнейшем лаковая пленка на открытых поверхностях в процессе работы засоряется мельчайшими частицами кокса, образуя слой нагара, после чего начинается усиленный износ цилиндровой втулки и поршневых колец.
При изучении причин массового износа втулок и колец было отмечено, что при понижении нагрузки дизеля на 10—15% против номинальной износ резко сокращается. Результаты исследований позволяют сделать вывод о том, что одной из основных причин интенсивного износа втулок и колец некоторых типов дизелей с газотурбинным наддувом является повышенная температура зеркала цилиндра и головки поршня в районе поршневых колец.
На некоторых дизелях, в частности, Фиат C758S (теплоходы типа «Лениногорск»), вследствие недооценки конструкторами рабочих температур поверхности втулки достигнуть номинальной мощности так и не удалось.
В настоящее время при создании новых типов дизелей и модификации старых конструкторы добиваются снижения теплонапряженности цилиндровых втулок, создавая новые формы для усиления отвода тепла от верхней части втулок. Ведущие дизелестроительные фирмы решают этот вопрос по-разному.
Рис. 18. Проставочное кольцо между втулкой и блоком цилиндра дизеля Зульцер SD72
Фирма «Зульцер» применяет проставочное кольцо между блоком и фланцем втулки (рис. 18). Как видно из рисунка, охлаждающая вода проходит вокруг верхней части втулки по каналам небольшого сечения и выходит не из блока, а из проставочного кольца.
Рис. 19. Конструктивное оформление деталей ЦПГ дизелей Бурмейстер и Вайн
K98FF и 84VT2BF180
Фирма «Бурмейстер и Вайн» в последней модели дизеля (марки K98FF) применяет масляное охлаждение поршней (рис. 19, а). В дизеле 84VT2BF180 фирма предохраняет верхнюю часть втулки от перегрева глубоким фланцем крышки, плотно перекрывающим верхнюю часть втулки, расточенную на конце (рис. 19,6). Однако теплонапряженность первого дизеля по сравнению с дизелем 84VT2BF180 не возросла благодаря значительным изменениям общей компоновки деталей ЦПГ.
Из сравнения двух разрезов видно, что фирма отказалась от формы крышки с утопленным во втулку фланцем и применила колпачковую крышку, известную ранее. Особенно тщательно разработано охлаждение верхней части втулки и днища поршня, причем вертикальная стенка поршня дизеля K98FF имеет значительно меньшую толщину.
Такие мероприятия позволили не только не превысить уровней температур, обычных для деталей ЦПГ дизелей VT2BF, но и несколько понизить их.
На рис. 20 даны графики основных характеристик теплового состояния деталей ЦПГ дизеля K98FF для различных режимов работы. График на рис. 20, а показывает температуры в отдельных точках выпускного клапана, крышки и втулки, на рис. 20, б — то же самое поршня. Буквенные обозначения кривых соответствуют точкам замера температур на деталях.
По заключению Г. А. Давыдова и М. К. Овсянникова совершенствование конструктивных форм деталей ЦПГ в сочетании с использованием соответствующих материалов может обеспечить приемлемые уровни теплонапряженности при весьма высоких давлениях наддува. Основное—держать в чистоте охлаждаемые поверхности и в отличном рабочем состоянии охлаждающую систему. Необходимо строго соблюдать режим охлаждения, предписанный заводом-строителем. Именно нарушение режима охлаждения и приводит к эпизодическим повышениям температуры наиболее теплонапряженных участков деталей ЦПГ, что, в свою очередь, приводит к непоправимым повреждениям деталей. Судовой механик должен хорошо знать наиболее опасные участки деталей и тщательно за ними наблюдать.
Если бы в результате теплового расчета были получены величины теплонапряженности деталей ЦПГ более низкие, чем те, которые считаются нормой, такую ошибку судовые механики не могли бы обнаружить. Наоборот, дизель с такой ошибкой в расчете считался бы надежным в эксплуатации. Умеренная теплонапря-женность деталей служила бы их защитой от повреждений, свойственных высокой теплонапряженности.
Как видно из многих литературных источников, наиболее неблагополучными дизелями в смысле высокой теплонапряженности головок поршней, явно недоучтенной конструкторами, являются дизели МАН K6Z57/80C (установлены на пассажирских судах типа «Михаил Калинин», на серии сухогрузных судов-типа «Шенкурск» и танкерах типа «Повенец»). Дизели построены самой фирмой и одним из ее лицензиатов — машиностроительным заводом в Ростоке (ГДР). Основные характеристики: N= = 3990 э. л. с. при n = 225 об/мин; pn = 7,4 кгс/см2; D = 570 мм; S = 800 мм; охлаждение поршней масляное.
Первыми судами, на которых установили такие дизели, были теплоходы типа «Михаил Калинин». После правильно проведенной обкатки эксплуатационная мощность дизелей была установлена близкой к номинальной. Но уже спустя 3500—4000 ч работы у стальных головок поршней были обнаружены очаги явного прогорания днищ и кромок, перехода днища в вертикальную часть. Это говорило о недопустимо высокой температуре, при которой работали головки поршней. При осмотре головок со стороны охлаждаемой поверхности оказалось, что она покрыта (особенно в верхней части) слоем трудно удалимого нагара толщиной 3—3,5 мм.
На построенном позже однотипном теплоходе «Феликс Дзержинский» после 3975 ч эксплуатации дизелей обнаружилось, что 9 поршней из 12 имеют круговые трещины, причем две из них сквозные. На поверхности днищ поршней имелись явные следы обгорания. Трещины на всех головках располагались со стороны выхлопных окон.
При осмотре внутренних полостей головок поршней со стороны днища против кольцевой поверхности вытеснителей было обнаружено отложение кокса, состоящего из двух слоев: первый слой, непосредственно прилегающий к металлу—твердый, трудноудаляемый, толщиной 1—1,5 мм, что указывает на длительный процесс его образования; второй — рыхлый, легкоудаляемый, толщиной 3—5 мм. В центральной части головок отложений не оказалось. При разборке поршней выяснилось, кроме того, что вытеснители имеют отверстия, не предусмотренные рабочими чертежами.
По заключению аварийной комиссии причинами коксообразования и трещин в головках поршней послужили: высокая теплонапряженность цилиндра-пенообразование и насыщенность циркуляционного масла пузырьками газов; наличие отверстий в вытеснителях не предусмотренных чертежом и инструкцией.
Особое внимание эксперты обратили на последнюю причину. Они пришли к выводу, что наличие не предусмотренных чертежом отверстий резко ухудшает отвод тепла и циркуляцию охлаждающего масла в районе образования трещин, так как основной поток масла проходит через отверстия, минуя участки днища поршней, требующие наиболее интенсивного охлаждения.
При исследовании металла, из которого изготовлены головки, определили ею химический состав. По ГОСТу этот состав приблизительно соответствует марке стали Ст. 50, которую не применяют для изготовления деталей работающих в тяжелых температурных условиях. В рассматриваемых же дизелях МАН марки K6Z57/80C температура наиболее нагретых зон головки поршня достигает 390°С. Следовательно, налицо еще и четвертая причина выхода из строя головок поршней: применение материала, не соответствующего условиям работы.
Подобная картина наблюдалась и на однотипных пассажирских судах Дальневосточного пароходства, в частности, на теплоходе «Серго Орджоникидзе». После первого года эксплуатации дизеля K6Z57/80C стало ясно, что получить мощность в 4000 э. л. с. невозможно. Требовалось коренным образом пересмотреть систему охлаждения поршней и принять другие меры для обеспечения надежности дизеля.
Прежде всего специалисты фирмы МАН пришли к выводу о том, что головки поршней следует изготавливать не из конструкционной стали, а из хромомолибде-новой малолегированной. Последовательно, одна за другой, были разработаны и применены три конструкции вытеснителей масла в головках поршней. Уже после применения первой из них условия работы головок поршней значительно улучшились.
На теплоходе «Латвия», где были установлены вытеснители новой конструкции, после 3000—3600 ч работы головки поршней и полости их охлаждения были в хорошем состоянии. Слой нагара на днищах поршней со стороны охлаждения был незначительным.
То же самое свидетельствует и Н. Д. Малахов. При осмотре после 3000 ч работы вытеснителей новой конструкции выгораний и трещин в днищах поршней не было обнаружено, внутренние поверхности головки в основном были чистыми, но на периферии местами былй обнаружены отложения смолистого вязкого вещества толщиной около 1—2 мм.
Однако несмотря на троекратное усовершенствование конструкции вытеснителя, теплонапряженность головок поршней дизелей остается очень высокой. Возможно, ошибка конструкторов заключалась в выборе охлаждающей жидкости. Если бы в виде охлаждающей жидкости применили воду, а не масло, теплонапряженность головок поршней понизилась на 50—60°.
Г. А. Давыдов и М. К. Овсянников приводят схему температурных полей головки поршня дизеля K6Z57/80C в двух вариантах охлаждения — масляном (рис. 17, а) и водяном (рис. 17,6). Сравнение температурных полей настолько убедительно говорит в пользу водяного охлаждения, что пояснения здесь излишни.
Разумеется, переход с масляного охлаждения на водяное требует коренной переделки всей системы охлаждения, но это, по-видимому, наиболее рациональный способ снижения теплонапряженности головок поршней этого дизеля.
Ошибка в выборе охлаждающей жидкости была допущена и в конструкции дизелей МАН марки K7Z78/140. В БМП эти дизели были установлены только на двух теплоходах — «Архангельск» и «Балтийск». Головки поршней дизелей имели масляное охлаждение. Предусмотренный фирмой диаметральный зазор 5 мм между втулкой цилиндра и верхней кромкой головки поршня при плавании судна в тропической зоне оказывался недостаточным. Головка поршня настолько перегревалась, что зазор выбирался полностью, появлялись стуки в цилиндрах, снижалась частота вращения дизеля и заканчивалось это задирами цилиндровой втулки и головки поршня.
Особенно тяжелый случай такого задира произошел в цилиндре № 1 дизеля теплохода «Архангельск» после того, как механики, выполняя инструкцию завода-строителя, прикрыли отливные клапаны системы охлаждения. После смены втулки и поршня № 1 были осмотрены другие цилиндры и оказалось, что мелкие трещины и задиры имеются почти на всех деталях.
При дальнейшей эксплуатации этих дизелей на теплоходах «Архангельск» и «Балтийск» днища поршней выгорали иногда на глубину до 12 мм, а на охлаждаемой поверхности днища после 1500 ч работы образовывался слой кокса толщиной до 2 мм.
Ошибки в тепловом расчете и в конструкции системы охлаждения дизеля K7Z78/140 были настолько очевидны, что фирма сняла их с производства. По-видимому, и в этом случае, водяное охлаждение поршней было бы более эффективным.
По какому-то недоразумению на дизелях марки 8SV55uA поршни диаметром 365 мм вообще оставлены без охлаждения, в результате чего через 1500—2000 ч работы верхнее кольцо полностью теряет подвижность, а второе кольцо местами зависает. Положение усугубляется тем, что продувочный воздух после турбонагнетателя не имеет охлаждения.
На судах типа «Андижан», где установлены эти дизели, происходили задиры поршней и втулок с тяжелыми последствиями, требовавшими замены этих деталей. На теплоходе «Андижан» в августе 1963 г. вследствие сильного нагрева и заедания поршня в цилиндре № 8 в картере произошел взрыв, разрушивший торцевую стенку картера.
Из-за многочисленных недостатков дизель 8SV55uA вскоре был снят с производства.
Если пределы температурных перепадов и максимальных температур днищ поршней обусловливаются только физико-механическими свойствами металла днища, то для втулок решающим фактором является такой температурный предел рабочей поверхности, при котором цилиндровое масло полностью сохраняет свои свойства. Опытами установлено, что у современных мощных судовых дизелей температура рабочей поверхности втулки в районе камеры сгорания находится в пределах 190—200°С. При высокой тепловой напряженности этих дизелей меньшие температуры просто недостижимы, хотя и очень желательны.
Температурные поля стенок втулок, приводимые во многих трудах, являются средними, рассчитанными на нормальные условия работы. Однако вследствие нарушений режима нормальной работы дизеля температурный уровень полей эпизодически повышается.
При достижении температуры, предельно допустимой для данного масла, оно начинает окисляться, выделяя сложные органические соединения — оксикислоты. Эти оксикислоты отлагаются на горячих поверхностях и конденсируются в тяжелые лаковые отложения. В дальнейшем лаковая пленка на открытых поверхностях в процессе работы засоряется мельчайшими частицами кокса, образуя слой нагара, после чего начинается усиленный износ цилиндровой втулки и поршневых колец.
При изучении причин массового износа втулок и колец было отмечено, что при понижении нагрузки дизеля на 10—15% против номинальной износ резко сокращается. Результаты исследований позволяют сделать вывод о том, что одной из основных причин интенсивного износа втулок и колец некоторых типов дизелей с газотурбинным наддувом является повышенная температура зеркала цилиндра и головки поршня в районе поршневых колец.
На некоторых дизелях, в частности, Фиат C758S (теплоходы типа «Лениногорск»), вследствие недооценки конструкторами рабочих температур поверхности втулки достигнуть номинальной мощности так и не удалось.
В настоящее время при создании новых типов дизелей и модификации старых конструкторы добиваются снижения теплонапряженности цилиндровых втулок, создавая новые формы для усиления отвода тепла от верхней части втулок. Ведущие дизелестроительные фирмы решают этот вопрос по-разному.
Рис. 18. Проставочное кольцо между втулкой и блоком цилиндра дизеля Зульцер SD72
Фирма «Зульцер» применяет проставочное кольцо между блоком и фланцем втулки (рис. 18). Как видно из рисунка, охлаждающая вода проходит вокруг верхней части втулки по каналам небольшого сечения и выходит не из блока, а из проставочного кольца.
K98FF и 84VT2BF180
Фирма «Бурмейстер и Вайн» в последней модели дизеля (марки K98FF) применяет масляное охлаждение поршней (рис. 19, а). В дизеле 84VT2BF180 фирма предохраняет верхнюю часть втулки от перегрева глубоким фланцем крышки, плотно перекрывающим верхнюю часть втулки, расточенную на конце (рис. 19,6). Однако теплонапряженность первого дизеля по сравнению с дизелем 84VT2BF180 не возросла благодаря значительным изменениям общей компоновки деталей ЦПГ.
Из сравнения двух разрезов видно, что фирма отказалась от формы крышки с утопленным во втулку фланцем и применила колпачковую крышку, известную ранее. Особенно тщательно разработано охлаждение верхней части втулки и днища поршня, причем вертикальная стенка поршня дизеля K98FF имеет значительно меньшую толщину.
Такие мероприятия позволили не только не превысить уровней температур, обычных для деталей ЦПГ дизелей VT2BF, но и несколько понизить их.
На рис. 20 даны графики основных характеристик теплового состояния деталей ЦПГ дизеля K98FF для различных режимов работы. График на рис. 20, а показывает температуры в отдельных точках выпускного клапана, крышки и втулки, на рис. 20, б — то же самое поршня. Буквенные обозначения кривых соответствуют точкам замера температур на деталях.
По заключению Г. А. Давыдова и М. К. Овсянникова совершенствование конструктивных форм деталей ЦПГ в сочетании с использованием соответствующих материалов может обеспечить приемлемые уровни теплонапряженности при весьма высоких давлениях наддува. Основное—держать в чистоте охлаждаемые поверхности и в отличном рабочем состоянии охлаждающую систему. Необходимо строго соблюдать режим охлаждения, предписанный заводом-строителем. Именно нарушение режима охлаждения и приводит к эпизодическим повышениям температуры наиболее теплонапряженных участков деталей ЦПГ, что, в свою очередь, приводит к непоправимым повреждениям деталей. Судовой механик должен хорошо знать наиболее опасные участки деталей и тщательно за ними наблюдать.
Комментариев нет:
Отправить комментарий
Примечание. Отправлять комментарии могут только участники этого блога.