Чем охлаждается судовой двигатель

Чем охлаждается судовой двигатель

Основной тенденцией развития современного двигателестроения является форсирование двигателей внутреннего сгорания по среднему эффективному давлению и давлению наддува. Это приводит к повышению тепловых и механических нагрузок на основные детали двигателя, росту виброактивности дизелей, что обусловливает необходимость совершенствования систем, обеспечивающих надежную работу двигателя во всем диапазоне эксплуатационных режимов, прежде всего — систем смазки и охлаждения. Одним из факторов, отрицательно влияющих на надежность двигателей с жидкостными системами охлаждения, являются эрозионно-коррозионные разрушения элементов систем, прежде всего, наружных поверхностей цилиндровых втулок, омываемых охлаждающей жидкостью. Статья посвящена актуальной проблеме выбора параметров охлаждения современных двигателей внутреннего сгорания с высоким уровнем форсированности и перспективных двигателей. Методика выбора параметров охлаждения включает выявление наиболее значимых из них и обоснованное определение предпочтительных значений данных параметров с учетом требований экономичности и надежности судовых дизелей. Для решения поставленной задачи предложен алгоритм, учитывающий конструктивные характеристики двигателя, параметры рабочего процесса и режимы охлаждения. В статье приводятся расчетные формулы, позволяющие реализовывать предложенный алгоритм. В качестве основных параметров охлаждения, влияющих на интенсивность эрозионно-коррозионных разрушений и экономичность дизеля, установлены температура и давление в системе охлаждения и водородный показатель охлаждающей жидкости. Результаты проведенных расчетов позволяют оценить влияние указанных факторов на интенсивность эрозионно-коррозионных разрушений и удельный расход топлива, а также рекомендовать наиболее предпочтительные параметры охлаждения. Выводы, сделанные на основании проведенных расчетов, подтверждаются результатами моторных испытаний. В статье предложены технические решения, позволяющие осуществлять автоматическое управление параметрами охлаждения судовых дизелей.

Ключевые слова

судовые двигатели внутреннего сгорания, жидкостные системы охлаждения, эрозионно-коррозионные разрушения, параметры охлаждения, алгоритм выбора параметров охлаждения, свойства охлаждающей жидкости

Читать полный текст статьи: PDF

Список литературы

Ципленкин Г. Е. Уровень форсировки поршневых ДВС нового поколения / Г. Е. Ципленкин, В. И. Иовлев // Двигателестроение. — 2016. — № 1. — С. 25-30.
Безюков О. К. Состояние и перспективы судового двигателестроения в России / О. К. Безюков, В. А. Жуков // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. — 2017. — № 2. — С. 40-53. DOI: 10.24143/2073-1574-2017-2-40-53.
Дорохов А. Ф. Моделирование теплопередачи через стенку рабочего цилиндра поршневого ДВС и управление его напряженно-деформированным состоянием. / А. Ф. Дорохов, Н. В. Пахомов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. — 2015. — № 1 (45). — С. 68-74.
Гулиев Н. Р. Анализ условий работы деталей цилиндропоршневой группы современных двигателей внутреннего сгорания / Н. Р. Гулиев, В. А. Рыжов, Е. В. Коробов, Д. А. Никитин // Аграрные конференции. — 2017. — № 5 (5). — С. 19-29.
Безюков О. К. Охлаждающие жидкости транспортных ДВС / О. К. Безюков, В. А. Жуков. — СПб.: Изд-во СПГУВК, 2009. — 263 с.
Полипанов И. С. Повышение надежности систем охлаждения / И. С. Полипанов, О. К. Безюков, Е. К. Забелина // Речной транспорт (XXI век). — 1988. — № 3. — С. 30-32.
Безюков О. К. Охлаждение транспортных двигателей внутреннего сгорания / О. К. Безюков, В. А. Жуков, В. Н. Тимофеев. — СПб.: Изд-во ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова, 2015. — 272 с.
Большаков В.Ф. Эксплуатация судовых среднеоборотных дизелей / В. Ф. Большаков, Ю. Я. Фомин, В. И. Павленко. — М.: Транспорт, 1983. — 160 с.
Кригер А. М. Жидкостное охлаждение автомобильных двигателей / А. М. Кригер, М. Е. Дискин, А. Л. Новенников, В. И. Пикус. — М.: Машиностроение, 1985. — 176 с.
Камкин С. В. Эксплуатация судовых дизелей / С. В. Камкин, И. В. Возницкий, В. П. Шмелев. — М.: Транспорт, 1990. — 344 с.
Громогласов А. А. Водоподготовка, процессы и аппараты / А. А. Громогласов, А. С. Копылов, А. П. Пильщиков. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 270 с.
Тузов Л. В. Защита элементов жидкостных систем охлаждения ДВС от кавитационно-коррозионных разрушений / Л. В. Тузов, О. К. Безюков, В. А. Жуков // Двигатель-97. Материалы междунар. науч.-техн. конф. — М.: МГТУ, 1997. — С. 67-68.
Тузов Л. В. Вибрация судовых двигателей внутреннего сгорания / Л. В. Тузов, О. К. Безюков, О. В. Афанасьева. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. — 348 с.
Лебедев О. Н. Двигатели внутреннего сгорания речных судов / О. Н. Лебедев, В. А. Сомов, С. А. Калашников. — М.: Транспорт, 1990. — 328 с.
Churchill R. A. Low-heat rejection engines — a concept review / R. A. Churchill, J. E. Smith, N. N. Clarc, R. A. Turton. — SAE Technical Paper Series, 1989. — № 890153. — Pp. 25-36.
Koch F. W. Cooling System Development and Optimization for DI Engines / F. W. Koch, F. G. Haubner. — SAE Technical Paper Series, 2000. — № 2000-01-0283. — 16 p. DOI: 10.4271/2000-01-0283.
Пат. 2459093 Российская Федерация, МПК F01P 5/10. Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания / О. К. Безюков, В. А. Жуков; заяв. и патентообл. О. К. Безюков, В.А. Жуков. — № 2011113342/06; Заявлено 06.04.2011; опубл. 20.08.2012, Бюл. № 23. — 7 с.
Пат. 2453714 Российская Федерация, МПК F01P 5/10. Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания / В. А. Жуков; заяв. и патентообл. В. А. Жуков. — № 2011113338/06; Заявлено 06.04.2011; опубл. 20.06.2012, Бюл. № 17. — 7 с.

Об авторах

Безюков Олег Константинович — доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»

Жуков Владимир Анатольевич — доктор технических наук, доцент

ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»

Пуляев Андрей Араратович — аспирант

Чем охлаждается судовой двигатель

Главное меню

• Главная
• Паровые машины
• Двигатели внутреннего сгорания
• Электродвигатели
• Автоматическое регулирование двигателей
• Восстановление и ремонт двигателей СМД
  • Блок-картер и картер шестерен двигателя СМД
    • Картер маховика двигателя СМД
    • Передняя опора двигателя СМД
    • Крышка картера шестерен двигателя СМД
    • Картер шестерен двигателя СМД
    • Передний подшипник распределительного вала
    • Палец промежуточной шестерни двигателя СМД
    • Блок-картер двигателя СМД
      • Заварка трещин в стенках блок-картера и заделка пробоин
      • Трещины водяной рубашки, трещины по картеру и в ребрах жесткости
      • Заварка трещин, выходящих на нижнюю обработанную поверхность, в перемычках между отверстиями под гильзы цилиндров
      • Заклейка трещин на наружной поверхности водяной рубашки
      • Заварка трещины, выходящей на обработанную поверхность или проходящей по толстой стенке блок-картера
      • Заделка трещин эпоксидной пастой
      • Заделка пробоины водяной рубашки и картерной части блок-картера
      • Приварка заплаты
      • Восстановление гнезда под уплотнительное резиновое кольцо гильзы
      • Исправление верхней поверхности блок-картера
      • Восстановление посадочных мест под вкладыши коренных подшипников
      • Посадочные места под вкладыши в блок-картере
      • Восстановление посадочных мест под вкладыши постановкой полуколец
      • Восстановление только одного посадочного места под вкладыши коренного подшипника
      • Восстановление отверстий под опоры распределительного вала
      • Восстановление отверстия под палец промежуточной шестерни
      • Восстановление отверстий под толкатели
      • Ремонт отверстий под установочный штифт картера маховика
      • Ремонт отверстий в блок-картере, картере шестерен и крышке картера шестерен под направляющие втулки
      • Восстановление резьбовых отверстий
  • Кривошипно-шатунный механизм двигателя СМД
  • Распределительный механизм двигателя СМД
  • Масляный насос и масляный фильтр в двигателе СМД
  • Водяной насос, вентилятор и радиатор двигателя СМД
  • Топливный насос, фильтра и форсунки двигателя СМД
  • Муфта сцепления в двигателе СМД
  • Привод гидронасоса в двигателе СМД
  • Электрооборудование двигателей СМД
  • Электрофакельный подогреватель двигателя СМД
• Топливо для двигателей
• Карта сайта

Судовые двигатели

• Судовые двигатели внутреннего сгорания
  • Общие сведения о двигателях внутреннеого сгорания
  • Основные части двигателя
  • Газораспределение в двигателях
  • Топлива и масла для двигателей
  • Смесеобразование и топливная аппаратура в дизелях
  • Система и устройство двигателя
    • Система газовыпуска
    • Продувочные и наддувочные насосы
    • Назначение и кинематические схемы реверсивно-пусковых устройств
    • Система пуска
    • Система охлаждения двигателя
    • Система смазки двигателя и ее элементы
    • Топливная система и ее элементы
  • Примеры и описания судовых двигателей
  • Идеальные циклы и тепловые процессы в двигателях
  • Мощность и экономичность двигателя
  • Кинематика и динамика двигателя
  • Расчет на прочность основных деталей двигателей
  • Испытания и эксплуатация судовых двигателей
• Судовые паровые турбины
• Судовые газовые турбины
• Судовые дизельные установки

Система охлаждения двигателя предназначена для охлажде­ния деталей (цилиндровых втулок, крышек, поршней, выпускных коллекторов и др.) двигателя, обеспечивая им нормальные усло­вия работы. Существует две си­стемы охлаждения — водяная и воздушная. Воздушная система охлаждения не нашла широкого применения на судах, однако в последние годы к ней проявляет­ся повышенный интерес, так как при такой системе охлаждения уменьшается масса установки. Водяная система охлаждения яв­ляется наиболее распространен­ной и, в свою очередь, подразде­ляется на проточную (охлажде­ние забортной водой) и замкну­тую (охлаждение пресной водой). В современных двигателях ох­лаждение забортной водой почти не применяют. В замкнутых си­стемах пресная вода охлаждает­ся забортной.

На рис. 179 показана схема замкнутой системы охлаждения. Охлаждение двигателя осуществляется пресной водой, которая в поверхностном водоохладителе охлаждается морской забортной водой. Насос 14 подает пресную воду через магистраль 13 в блок двигателя. После охлаждения цилиндровых втулок, крышек и вы­пускного коллектора нагревшаяся пресная вода поступает в холо­дильник пресной воды 9. При недостаточной температуре вода через клапан 11 и магистраль 12 подается непосредственно на тер­морегулятор 6, который автоматически регулирует температуру и количество воды, поступающей в водоохладитель. Утечки пресной воды периодически пополняются из расширительного бачка 10. Уровень в бачке контролируется по водомерному стеклу. Воздуш­ный гусек служит для сообщения воздушной полости бачка с ат­мосферой при колебаниях уровня воды в ней. Насос 3 забирает забортную воду через бортовой кингстон 1 , фильтр 2 и подает в маслоохладитель 5 и водоохладитель 9. Отвод морской воды за борт осуществляется через сливной трубопровод и невозвратный клапан 8. Трубопроводы 4 и 7 — обводные. Насосы пресной и забортной воды приводятся от самого двигателя или могут иметь электрический привод. Преимущество замкнутой системы охлаждения состоит в том, что она позволяет повысить темпера­туру пресной воды при выходе из двигателя до 353—363° К при перепаде температур 10—15° К и достигнуть постоянного темпера­турного режима охлаждения независимо от нагрузки двигателя, а также снизить тепловые напряжения в деталях и тепловые по­тери.

Судовые системы охлаждения

При сгорании топлива в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания лишь 38—42 % получаемой при этом теплоты превращается в полезную работу. Остальная теплота — это неизбежные тепловые потери. Примерно половина потерянного тепла уходит в атмосферу с продуктами сгорания топлива, остальная часть передается деталям, соприкасающимся с горячими газами. Если эти детали не охлаждать, то работа двигателя станет невозможной и он выйдет из строя. Невозможной станет и смазка двигателя, так как смазочное масло будет сгорать. Во избежание этого все детали и узлы двигателя, соприкасающиеся с горячими газами, необходимо охлаждать. Обязательному охлаждению подлежат цилиндры, крышки цилиндров и выпускной коллектор.

Для обеспечения непрерывной подачи воды (пресной или забортной) для охлаждения двигателей, механизмов или аппаратов и предназначена система охлаждения судовой энергетической установки. На судне эта система обеспечивает подачу охлаждающей жидкости не только к главным двигателям, но и к таким механизмам, аппаратам и устройствам, как подшипники валопроводов, холодильники масла, паро- и электрокомпрессоры, конденсатные насосы и др.

Для перемещения охлаждающей воды по трубопроводам к местам охлаждения необходимы насосы. Их включают в общую магистраль, от которой идут отростки, подводящие воду ко всем потребителям.

Системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания являются автономными, т. е. предусматривают наличие насосов пресной или забортной воды, которые обслуживают только данный двигатель.

Системы охлаждения двигателей делятся на открытые (одноконтурные) и закрытые (двухконтурные). Открытая система на морских судах почти не применяется. В этой системе охлаждение двигателя производится забортной водой, которая насосом прокачивается по всей системе охлаждения и отводится за борт. Систему открытого типа допустимо применять там, где температура нагрева выходящей из двигателя воды не превышает 55 °С. При большей температуре растворенные в воде соли становятся нерастворимыми и оседают на омываемых водой поверхностях в виде накипи, ухудшая условия теплоотдачи, а также засоряя проточные каналы и полости охлаждения, особенно в литых конструкциях головок и блоков цилиндров двигателей. Это нарушает нормальное протекание рабочего процесса в двигателе и может служить причиной аварии.

На рис. 3.58 изображена схема открытой системы охлаждения двигателя. Забортная вода при открытом кингстоне 10 поступает в теплый ящик забортной воды 9, снабженный фильтром. Кингстон открывается и закрывается рукояткой 5, выведенной на крышку ящика. При открытом приемном клапане 11 вода для охлаждения забирается насосом 12 и по трубе 13 подается к двигателю. Поступившая в полость охлаждения блока цилиндров 1 вода поднимается вверх и перетекает в крышки 2 цилиндров, откуда через патрубок 3 направляется в полость охлаждения выпускного коллектора 6. Из последнего она отводится за борт по трубе 7. Температура охлаждающей воды, прошедшей через каждый цилиндр, контролируется термометром 4 и регулируется клапаном 5 путем пропуска большего или меньшего количества воды, проходящей через него. Давление воды во время работы системы контролируется манометром 14.

В большинстве современных судовых дизелей применяется закрытая система охлаждения. В этой системе для охлаждения работающего двигателя используется пресная вода, непрерывно циркулирующая в замкнутой системе охлаждения, которая состоит из двух контуров: внутреннего и внешнего. Первый служит для охлаждения двигателя, второй — для охлаждения воды, циркулирующей во внутреннем контуре. Для охлаждения пресной воды устанавливают водо-водяной холодильник, через который прокачивается забортная вода.

На рис. 3.59 приведена схема закрытой системы охлаждения двигателя. Циркуляционным насосом 15 пресная вода по внутреннему контуру подается в блок цилиндров 1. Охладив крышку 2 цилиндра двигателя, вода по патрубку 3 поступает в полость охлаждения выпускного коллектора 5, а оттуда в термостат или в терморегулятор 7, который служит для автоматического регулирования температуры воды, прошедшей через двигатель. Если температура этой воды окажется выше требуемого значения, то термостат большую часть воды пропустит в холодильник 11, а меньшую — в трубу 16, Таким образом, в термостате постоянно происходит перераспределение двух потоков воды: подводимой к насосу 15 и вновь направляемой на охлаждение двигателя.

Температура воды контролируется термометром 6. В связи с высокой температурой воды, выходящей из двигателя, в отдельных точках внутренних полостей, заполненных водой, образуется некоторое количество пара. Пар отводится по трубе 4 в расширительный бак 5, являющийся компенсатором объема, в который по трубе 9 вытесняется избыточное количество расширившейся при нагревании воды. Благодаря этому предотвращается нарушение плотности соединений элементов системы.

Забортная вода через кингстон 13 и приемный клапан 14 забирается насосом 12 и прогоняется через холодильник, где охлаждает пресную воду внутреннего контура, после чего отводится за борт по трубе 10. Такая система охлаждения двигателей предохраняет полости охлаждения двигателя от отложения солей и уменьшает вероятность образования коррозии и электрохимической эрозии. Установленный на приемной ветви фильтр забортной воды предохраняет систему от попадания ила и песка.

В двигателях с высокой средней температурой цикла приходится применять охлаждение поршней путем подвода охлаждающей жидкости в их головки. В частности, это можно осуществить с помощью специального телескопического механизма. Как видно на рис. 3.60, охлаждающая жидкость подается в трубу 1 телескопического механизма поршня, далее переходит в подвижную трубу 5, укрепленную в поршне 4, а затем в полость 5 поршня и охлаждает его головку. Отвод жидкости можно произвести с помощью такого же телескопического механизма, расположенного с другой стороны поршня. Имеющийся на телескопической трубе сальник 2 не допускает пропуска охлаждающей жидкости в картер двигателя.

Литература

Судовые системы и трубопроводы — Овчинников И.Н., Овчинников Е.И. [1988]

Охлаждение дизелей. Системы: проточная и замкнутая

При рассмотрении теплового баланса двигателя было установлено, что только часть тепла, выделяемого при сгорании топлива внутри цилиндров дизеля, превращается в индикаторную работу (до 47%). Из оставшегося тепла примерно 25% уносится с отходящими газами, а остальное тепло (25—28%) для предотвращения перегрева деталей двигателя отводят охлаждающей водой. Для отвода тепла в основных деталях двигателя (цилиндр, цилиндровая крышка, поршень, корпус выпускного клапана) устраивают специальные полости или зарубашеч-ные пространства, через которые пропускают охлаждающую воду.

Для охлаждения судовых дизелей применяют две системы: проточную и замкнутую. При проточной системе охлаждения специальный насос забирает воду из кингстона и прокачивает ее через зарубашечное пространство дизеля; при замкнутой системе через зарубашечное пространство дизеля прокачивается пресная вода, которая затем в специальном теплообменнике (охладителе) охлаждается забортной водой и снова направляется в двигатель. Проточная система значительно проще замкнутой, однако имеет ряд существенных недостатков, поэтому для охлаждения дизелей на судах, построенных в последние годы, не применяется.

Основные недостатки проточной системы охлаждения дизеля: возможность засорения зарубашечного пространства дизеля илом и другими взвешенными частицами, содержащимися в морской воде; интенсивное отложение солей в зарубашечном пространстве и образование накипи, плохо проводящей тепло и резко ухудшающей теплообмен, в результате чего происходит перегрев деталей и даже их разрушение. Для того чтобы предотвратить образование накипи в зарубашечном пространстве, приходится снижать температуру воды на выходе из дизеля до 50—55° С и тем самым ухудшать температурный режим двигателя и полезное использование тепла. При низкой температуре забортной воды для уменьшения температурных напряжений на входе воды в двигатель устраивают специальные смесители, куда подается вода из кингстона и часть воды, выходящей из двигателя. Минимальная допустимая температура воды на входе в двигатель +15° С. Однако необходимый перепад при охлаждении двигателя забортной водой составляет 10—20° С, таким образом, температура воды на входе составляет 35—45° С.

При замкнутой системе охлаждения применяют пресную воду, которая проходит техническую обработку и не содержит солей, в результате удается поддерживать высокий температурный режим двигателя (температура воды на выходе из систем, сообщенных с атмосферой, — до 85° С, а при наличии паровоздушного клапана у некоторых напряженных четырехтактных дизелей—до 105° С). Необходимый перепад при охлаждении двигателя пресной водой 7—15° С. Для того чтобы предотвратить засоление воды в случае нарушения плотности водоохладителя, давление в системе пресной воды устанавливают несколько большим, чем в системе забортной воды.

Для контроля пресной воды из системы периодически проводят анализ проб воды для определения содержания солей, и если соленость достигает критических значений, воду в системе заменяют.

Следует также отметить, что при охлаждении двигателя пресной водой масляный холодильник, как правило, охлаждается забортной водой.

Для предотвращения коррозии охлаждаемых деталей и трубопроводов в пресную воду добавляют различные присадки (например, бихромат калия) или антикоррозионные масла.

При охлаждении двигателя пресной водой система должна предусматривать аварийное охлаждение забортной водой. Переход на аварийное охлаждение должен осуществляться постепенно, чтобы не вызвать резких температурных напряжений, при этом необходимо соблюдать требования в отношении температур, рекомендуемых для проточных систем (не ниже 15° С на входе и не выше 50—55° С на выходе).

Некоторые фирмы в целях страховки рекомендуют при аварийном охлаждении еще более низкие температуры на выходе воды из двигателя (до 45° С). Если учесть, что двигатель, как правило, работает на аварийном охлаждении короткое время и потери тепла незначительны, эти рекомендации целесообразно выдерживать.

Схемы проточной и замкнутой систем охлаждения

При проточной системе охлаждения (рис. 68, а) забортная вода от кингстона насосом 1 прокачивается через масляный холодильник 2 (часть воды прокачивается мимо масляного холодильника) и смеситель 3, подается через регулировочные вентили 4 в нижнюю часть за-рубашечного пространства цилиндров 5. Из зарубашечного пространства цилиндров вода по патрубкам переходит в цилиндровые крышки 6, а оттуда в сливной коллектор 9 и из него через невозвратный клапан 10 сливается за борт.

Часть воды через терморегулятор 8 направляется в смеситель 3, который необходим для поддержания минимально допустимой температуры воды на входе. Импульс на терморегулятор 8 поступает от сливного коллектора 9, и поэтому он работает автоматически: чем выше температура воды на выходе, тем меньше воды терморегулятор направляет в смеситель 3. Индивидуальное регулирование температуры воды, выходящей из цилиндров, осуществляется вентилями 4 и 7.

При замкнутой системе охлаждения (рис 68, б) пресная вода, подаваемая насосом 5 из расширительного бака 14 через входные вентили 6, поступает на охлаждение цилиндров 7 и цилиндровых крышек 8, через вентили 9 индивидуальной регулировки горячая вода стекает в коллектор 10 и направляется в холодильник пресной воды 15, откуда поступает в расширителный бак 14, с которым связан коллектор 10.

Забортная вода из кингстона забирается насосом 1, прогоняется через масляный холодильник 2 и прокачивается далее через холодильник пресной воды 15 и невозвратный клапан 16 за борт.

Для автоматического поддержания постоянной температуры в замкнутую систему включают терморегулятор 12, который при низкой температуре пропускает часть воды мимо холодильника 15. Импульс на терморегулятор поступает от трубопровода горячей воды. Во время работы дизеля часть воды испаряется, а часть уходит через сальники насосов. Для пополнения утечек предусмотрен трубопровод и насос подачи воды из запасных танков, а также отвод воды из расширительного бака обратно в танк в случае ее перекачки.

Система предусматривает аварийное охлаждение двигателя забортной водой. Переход на забортную воду осуществляется поворотом трехходовых кранов 4 и 11 на 90°, а также отключением вентилями 3 и 13 расширительного бака 14 и водоохладителя 15. При этом температуру воды, выходящей из двигателя, регулируют вручную при помощи вентилей 6 и 9.

Недостатки замкнутой системы охлаждения: наличие дополнительного оборудования и трубопроводов. С целью предупреждения засоления пресной воды при нарушении плотности водоохладителя в системе пресной воды поддерживают более высокое давление.