Ii техническое обслуживание дизелей

Дизель K9Z70/120A5 на судах ММФ находится в эксплуатации с 1963 г. Цилиндры изнашиваются в пределах норм. По результатам исследований ЦНИИМФа, дизель МАН относится к разряду менее теплонапряженных, чем, например, дизель Зульцер того же типоразмера. Тем не менее, на дизелях МАН судов типа «Выборг» отмечаются систематические возгорания в подпоршневых полостях, прогары головок поршней, трещины в крышках в районе пускового клапана и форсуночного отверстия. Из-за возгорания в подпоршневых полостях иногда за сутки ходового режима вынуждены были останавливать дизель или снижать частоту вращения вала до малого хода судна. Процесс возгорания, упущенный из-под контроля, приводит к вынужденной в условиях моря замене втулок цилиндров и поршней из-за образования водотечных трещин.

На теплоходе «Выборг» были два случая разрыва блока. Согласно записям в вахтенном журнале за 81 рейс в течение девяти лет эксплуатации было 106 вынужденных остановок и ежегодно по одной аварии с полной заменой деталей цилиндропоршневой группы. Эти условия создавали обстановку неуверенности, что усугубляло дальнейшие условия эксплуатации дизеля.

В качестве цилиндрового применяется масло, рекомендованное фирмой «Кастрол» RM/DZ и отечественное М16Е-60.

С 1967 до середины 1968 г. в вахтенных журналах отмечалось повышение температуры выхлопных газов до 380—420° С. В таких случаях для предотвращения возгорании сбрасывались нагрузки до малого хода и отключались цилиндры на 20—30 мин.

Период с середины 1968 г. и по настоящее время характеризуется остановками дизеля по причине повышения температуры в карманах блока в районе продувочных окон (неохлаждаемые полости втулок цилиндров). В этот момент температура выхлопных газов не успевает подняться и находится еще в пределах рабочих значений, но срабатывает сигнализация дымоизвещательной системы. При нечеткой работе этой системы, даже до повышения температуры выхлопных газов, сигналом возгорании в цилиндре является появление запаха горелого масла в помещении машинного отделения. И уже по температуре блока цилиндра со стороны подпоршневых полостей определяется район возгорании.

На судах типа «Выборг» для контроля температуры неохлаждаемых полостей втулок цилиндров и блока дизеля, предупреждения возгорании в ЦПГ установлена аппаратура «Аист». Забор газов выполнен по двум точкам с каждого цилиндра со стороны топливных насосов. Термометр сигнализации рассчитан на предельную температуру срабатывания до 100° С.

Например, за 8 месяцев эксплуатации теплохода «Вязьма» сигнализация, предупреждающая возгорание в неохлаждаемых полостях блоков цилиндров, сработала 22 раза.

Как на теплоходе «Выборг», так и на теплоходе «Вязьма» максимальное число возгорании произошло в четвертом цилиндре и прилегающих к нему третьем и пятом цилиндрах. Это объясняется, в первую очередь, поступлением с кормовой группы цилиндров горячего продувочного воздуха температурой до 80° С.

Из-за сильного загрязнения и закоксовывания охлаждающей полости продуктами сгорания холодильник подпоршневого продувочного воздуха радиаторного типа не оправдывает своего назначения.

С момента постройки судов типа «Выборг» до замены гребных винтов на стальные отечественного производства дизель K9Z70/120A5 не работал на номинальной частоте вращения гребного вала (он работал на 120—122 об/мин вместо номинальных 130 об/мин). В первую очередь это объясняется частыми поломками лопастей гидродинамически тяжелых гребных винтов, сильным обрастанием корпуса из-за стоянок в тропических портах. Высокая температура выхлопных газов (до 400° С) и близкое к номинальному значение среднего индикаторного давления свидетельствует о постоянном перегрузочном режиме дизеля.

В условиях тепловой перегрузки, неудовлетворительного охлаждения продувочного воздуха, вялой продувки цилиндров, избыточной цикловой подачи топлива (до 10%) из-за тяжелых винтов, а следовательно, и плотного заряда выхлопных газов происходит плохая очистка цилиндров, сопровождающаяся забросом газов в продувочный ресивер. Высокий коэффициент остаточных газов в условиях перегрузочного режима способствует перегреву деталей ЦПГ, деформации компрессионных колец и, как следствие, прорыву выхлопных газов, забросу газов в продувочный ресивер и возгораниям в цилиндре.

Помимо возгораний, в цилиндрах дизелей МАН отмечаете повышенная тепловая напряженность деталей ЦПГ, выражающаяся особенно в прогарах перемычек поршня между первым: и вторым компрессионными кольцами. После замены до 50% дефектных головок поршней через 500—1000 ч работы прогары в перемычках поршней повторялись.

Анализ результатов испытаний ЦПГ дизелей МАН подтверждает, что форсировка дизеля по среднему эффективному давлению на судах типа «Иркутск» и «Варнемюнде» привела к увеличению его тепловой напряженности. За счет прорыва газов через замок первого поршневого кольца, температура втулки и поршня в секторе расположения замка повышается более чем в 2 раза и иногда достигает 400°С. С малыми скоростями перемещения колец это приводит к длительному процессу коксования масла в определенных секторах втулки, абразивному износу направляющих бронзовых колец поршней, к загоранию и поломке колец, трещинам в поршнях и прогрессивным износам канавок поршневых колец. Длительность воздействия газов повышенной температуры, особенно в напряженных местах крышек цилиндров (в районе пускового клапана и форсуночного отверстия), приводит к появлению трещин.

Коэффициент очистки цилиндра, а следовательно, и тепловая напряженность деталей ЦПГ зависят прежде всего от системы продувки, используемого для продувки объема воздуха, его состояния перед продувочными окнами. Увеличивая коэффициент избытка воздуха при горении и продувке, можно понизить среднюю температуру рабочего процесса в дизеле с наддувом. Это позволяет, несмотря на увеличение плотности рабочего тела и возросший коэффициент теплоотдачи от газов к стенкам, уменьшить температуры поверхностей деталей, участвующих в процессе теплообмена. Продувка камеры сгорания позволяет улучшить наполнение цилиндра и, следовательно, получить некоторое приращение мощности дизеля, а также снизить температуру днища поршня, стенок цилиндра и крышки. Прохождение через цилиндры большого количества продувочного воздуха уменьшает индикаторный расход топлива, улучшает условия продувки и дополнительно охлаждает теплонапряженные детали дизеля.

Однако проходящий через дизель поток воздуха ограничивается производительностью газовой турбины, так как сопротивление потока при увеличении производительности возрастает в квадрате. На дизелях K9Z70/120As судов типа «Выборг» установлены турбокомпрессоры двух типов: ATL № 6 (ГДР) и «Броун-Бовери» VTR-500. Паспортная производительность ATL № 6 составляет 3,75 м\с, VTR-500—4,2 м^з/c. Турбокомпрессоры VTR-500, установленные на теплоходах «Великие Луки» и «Ватутин», имеют наддув выше на 0,10- 10⁵ Н/м². Это происходит по причине того, что пропускная способность турбины VTR-500 на 15—17% больше, так как диаметр рабочего колеса равен 500 мм, а в ATL № 6—435 мм.

Поэтому на теплоходах «Великие Луки» и «Ватутин» случаев возгорания в подпоршневых полостях значительно меньше, но явление помпажа также имеет место после длительной работы дизеля на долевых нагрузках в результате заброса и коксования отработанного масла, особенно на продувочных окнах втулок цилиндров. Аналогичное соотношение можно наблюдать на судах типа «Иркутск» (дизель K.8Z70/120E, номинальная частота вращения 135 об/мин, турбокомпрессор постоянного давления фирмы «Банневиц» ATL № 7) и на контейнеровозах типа «Варнемюнде» (дизель K.8Z70/120E, номинальная частота вращения 140 об/мин, турбокомпрессор VTR-630). Номограмма на рис. 25 подтверждает, что тепловая напряженность ЦПГ теплоходов «Полесск» и «Варнемюнде» значительно ниже, чем на теплоходе «Илья Ульянов», так как определенной температуре выхлопных газов соответствует более высокий наддув.

На дизелях K9Z70/120As отмечается заброс выхлопных газов из цилиндра через продувочные окна и ресивер продувочного воздуха из-за вялой продувки. Из общего ресивера очистка цилиндров, зарядка воздухом и охлаждение деталей ЦПГ значительно ухудшена, это ведет к их перегреву. Заброс газов и вялая продувка способствуют интенсивному закоксовыванию продувочных окон. Дизели Зульцер 6RD76, как и дизели МАН типа KZ, имеют контурную схему газообмена. Однако процессы газообмена у этих дизелей протекают не одинаково. На дизелях 6RD76 закоксовывания продувочных окон не наблюдается. Это объясняется конструкцией окон, формой днища поршня и большим перепадом давления в продувочных окнах, создаваемым под поршневыми насосами (ps = 2,22- 10⁵ Н/м²). Индивидуальные ресиверы воздуха для каждого цилиндра совместно с под поршневыми полостями образуют рабочие объемы, отделенные от общего ресивера невозвратными пластинчатыми клапанами. При ходе поршня вниз давление в индивидуальном ресивере повышается и к моменту открытия продувочных окон достигает величины (ps = 1,3 - 1,35) pк. Этим обеспечивается интенсивное вытеснение отработанных газов, качественный заряд воздухом и охлаждение деталей ЦПГ.

На дизелях K9Z70/120As, установленных на теплоходах «Выборг», «Вятка» и «Волхов», произведено переоборудование ресивера и подпоршневых пространств цилиндров [16],

где замкнутые объемы, включающие часть ресивера и подпоршневые пространства, используются в качестве рабочих полостей байпасируемых ППН, подключаемых для последовательной и параллельной работы с турбокомпрессорами (шесть цилиндров подключены для последовательной работы и три—для параллельной). Осуществление газообмена с повышенным давлением воздуха перед продувочными окнами (на 0,2-10⁵ Н/м²) в начальный период их открытия путем использования насосного действия поршней по типу дизелей RD Зульцер позволило исключить образование отложений в продувочных окнах, каналах блока, продувочном поясе цилиндров и подпоршневых пространствах, улучшить газообмен, охлаждение деталей ЦПГ и снизить тепловую напряженность дизеля. После переоборудования подпоршневых полостей на теплоходе «Выборг» за три года эксплуатации было три аварии ЦПГ. Анализ аварий показывает, что задиры ЦПГ произошли в основном из-за несоблюдения эллиптичной расточки в районе неохлаждаемых перемычек выхлопных окон втулок цилиндра и неудовлетворительной центровки деталей движения.

Номограмма тепловой напряженности дизеля KZE, установленного на судах типа «Варнемюнде» (рис. 26), подтверждает, что тепловая напряженность деталей ЦПГ судов серии далеко не одинакова даже при одинаковых мощностях. Анализ рабочих параметров серий судов показывает, что при низкой температуре выхлопных газов наблюдаются хорошие значения наддува и, наоборот, при высокой—недостаточные значения наддува перед турбокомпрессорами. При понижении температуры продувочного воздуха большое значение имеет тот факт, что его объем при той же самой массе уменьшается.

Это уменьшает сопротивление потоку наддувочного воздуха внутри цилиндра, которое находится в квадратичной зависимости от степени уменьшения его объема и, таким образом, либо разгружает турбокомпрессор, либо позволяет подать в цилиндр большее количество воздуха при том же давлении. Поэтому чистота охлаждающей поверхности воздушных холодильников, состояние межресиверных и подпоршневых клапанов, дренажная система должны быть под постоянным контролем механиков.

На судах типа «Выборг» установлен утилизационный котел змеевикового типа производительностью 1200 кг пара, с поверхностью нагрева 113 м², состоящий из семи двухрядных и тринадцати четырехрядных змеевиков, из трубок диаметром 32 мм, расположенных в шахматном порядке с шагом 41 мм. Независимо от потребности количества пара все газы из-за отсутствия обводного газопровода пропускаются через утилизационный котел. Доступа к змеевикам нет, паровое и воздушное банение отсутствует. Поэтому в настоящее время котлы оборудуются горловинами для химической чистки с газовой стороны. Суда типа «Иркутск» и «Варнемюнде» имеют более мощные котлы той же конструкции. С форсировкой дизелей соответственно растет и сопротивление перед утилизационным котлом со 150 мм вод. ст. на судах серии «Выборг» до 180—200 мм вод. ст. на судах серии «Иркутск» и до 230—330 мм вод. ст. на контейнеровозах типа «Варнемюнде». Несмотря на наличие на судах последних двух серий сажеобдувного устройства, промывке газовой и воздушной частям ГТН, химической очистке утилизационных котлов с газовой стороны следует уделять постоянное внимание.

Отклонение в состоянии топливной аппаратуры могут быть серьезным источником воспламенения масляных отложений в продувочном поясе цилиндра и подпоршневых полостях. Проверкой установлено, что в соединительных конусах труб высокого давления между топливным насосом высокого давления и форсункой от чрезмерного обжатия проходное сечение становится меньше (от 8,0 до 2,0—3,0 мм). В результате этого в системе могут возникнуть дополнительные импульсы, вызывающие подвпрыск топлива на ходу поршня к нижней мертвой точке, что может послужить высокотемпературным источником воспламенения отложения.

В зависимости от степени напряженности дизеля при нормальных условиях эксплуатации температура втулки в районе неохлаждаемых перемычек окон составляет 300—360° С, а при обрастании корпуса и гидродинамически тяжелом винте достигает более высоких значений.

Из-за воздействия высоких температур поддержанию номинальных размеров эксцентрической расточки рабочей поверхности втулки в районе окон и соблюдению переходных радиусов в окнах следует уделять серьезное внимание, так как невыполнение этих мероприятий ведет к задирам, трещинам поршней и втулок, поломке компрессионных колец.

Как правило, при авариях ЦПГ верхняя втулка имеет трещину по перемычкам выхлопных окон при сравнительно чистой рабочей поверхности, нижняя втулка—глубокие продольные риски по всей поверхности, а снаружи — сухие участки, свидетельствующие о наличии высоких температур, деформаций и захвата поршня. Опыт подтверждает выравнивание эксцентрической расточки до 0,1 мм в результате износа втулки к 12 тыс. ч ее работы (рис. 28). Отсюда следует, что восстановление геометрии втулки в районе окон необходимо производить каждую моточистку, примерно через 6 тыс. часов работы. После достижения значительной выработки втулок некоторые судовые механики считают, что восстановление эксцентрической расточки делать не следует, руководствуясь достаточно большим суммарным зазором между втулкой и поршнем. Такое ошибочное мнение приводит к серьезным авариям ЦПГ. Независимо от степени износа, только за счет эксцентрической расточки в районе, окон втулки в результате нагрева во время работы обеспечивается ее цилиндрическая форма.

Обычно при срабатывании эксцентричности, примерно к 16 тыс. часам работы, при бортовой качке прослушиваются глухие стуки в цилиндрах, даже на дизелях с охлаждаемыми перемычками окон, которые сопровождаются возгораниями в подпоршневых полостях. На судах типа «Выборг» с дизелями без охлаждения перемычек окон у некоторых механиков выработалось мнение, что при крене судна на правый борт возгорании в подпоршневых полостях почти не бывает. Это еще раз подтверждает необходимость обеспечить эксцентричность втулок в районе окон при работе дизеля.

Эксцентричность втулки восстанавливается от границ, где прекращается ее охлаждение. Можно считать, что начинается эта граница на расстоянии 105—110 мм от верхней кромки выхлопных окон. В поперечном сечении втулки эксцентричность осуществляется смещением оси расточки в сторону выхлопа относительно оси втулки на величину до 0,30 мм. Главное при расточке — наличие плавного перехода от овала к цилиндру. В противном случае поршневые кольца будут работать с ударами.

Величина эксцентрической расточки втулки зависит от температуры перемычек выхлопных окон. Исходя из этого, фирма МАН на дизеле KSZ расточку не делает по причине эффективного охлаждения перемычек (толщина стенки 10 мм).

В условиях эксплуатации при отсутствии специального пневмоинструмента восстановление эксцентричности втулки производится твердым камнем под углом 45° к вертикальной образующей. Незначительные задиры хорошо зашлифовываются мраморным камнем. Величину эксцентричности проверяют щупом и линейкой по вертикальной образующей поверхности внутри втулки. При каждой моточистке необходимо проверять качество работы маслосъемного кольца.

Увеличивать сроки моточисток ЦПГ свыше установленной нормы не следует (моточистка должна проводиться через 6 тыс. часов работы) из-за несовершенной системы наддува (см. приложение), в противном случае это ведет к сильному закоксовыванию продувочных окон (особенно крайних на 90%), повышению температуры выхлопных газов (рис. 29), теплонапряженности ЦПГ и помпажу турбокомпрессоров.

Уплотнение втулки цилиндра не имеет охлаждения (на дизелях Зульцер оно есть), поэтому выполнено уплотнение из материала на асбестовой основе — горлока. Уплотнительный материал

горлок по сравнению с резиновыми уплотнительными кольцами других фирм не обладает достаточной упругостью и очень чувствителен к резким температурным колебаниям.

При резком сбросе мощности дизеля, при неустановившейся температуре охлаждающей воды втулка цилиндра, чрезмерно перегреваясь, выжимает уплотнение. Обладая слабой упругостью при резком сбросе нагрузки уже выжатое уплотнение ослабевает, плотность соединения нарушается, появляются пропуски охлаждающей воды, которые и разрушают набор уплотнительных колец. В дальнейшем устранить интенсивную водотечность можно только внеочередной пере прессовкой втулки для замены уплотнения. По этим причинам очень важно неработающий дизель постоянно обогревать, при включении в работу постепенно наращивать мощность, особенно в момент перемены скорости хода, не допуская падения температуры охлаждающей воды. После запрессовки втулки следует замерять ее внутренний диаметр в районе уплотнения, не допуская его уменьшения более чем на 0,03 мм по отношению к обмерам в свободном состоянии.

Втулки цилиндров дизелей МАИ K.Z и K.SZ состоят из двух частей: верхней и нижней. Зазор между ними выполнен в виде волнистой линии для прохождения компрессионных колец при высоте их 12 мм и по рекомендации завода-строителя должен составлять 3,5—5,5 мм. На дизеле Зульцер SD72, где применяются также втулки из двух частей, зазор по разъему составляет 2,0 мм. При сборке обе части центрируются при помощи выточки в верхней втулке и центрирующего бурта высотой 17,0 мм в нижней с высокой степенью чистоты обработки сопрягаемых плоскостей. Такое сопряжение является важной гарантией соосности частей втулки, работающих в различных температурных условиях. На дизеле МАН верхняя втулка фиксируется посадочным буртом, а нижняя, в блоке цилиндра, тремя коксами. Таким образом, в случае деформации верхней части, особенно в районе I выхлопных окон, происходит нарушение ее соосности с нижней, что в результате приводит к поломке колец и авариям ЦПГ. Поэтому в случае замены одной из частей втулки или после пере прессовки следует подвергать контролю не только зазор, но и соосность рабочей поверхности. Смещение поверхностей по разъему можно устранить твердым камнем в той же последовательности, что и при восстановлении эксцентрической расточки в районе окон.

Поршневые кольца. Самопружинящие поршневые кольца испытывают механическую, статическую и динамическую нагрузки, складывающиеся из конструктивного изгибающегося усилия в цилиндре, нагрузки от давления газов,

Т а блица 11

Конструктивные характеристики компрессионных колец дизелей фирмы МАН и „Зульцер"

• 
  Для дизелей типа KZ70/120E кольца № I и 2 делаются из материала RS.
  
• 
  
  

Все отмеченное зависит от конструктивных размеров и материала колец (табл. 11), размеров перемычек между кольцами, качества уплотнения и частоты вращения дизеля.

При этом следует иметь в виду, что в один и тот же момент условия вдоль окружности отдельного кольца ни в коем случае не являются одинаковыми, так как вследствие изменений давления и температуры по окружности кольца возникают потоки газов. Величина динамической нагрузки, кроме нагрузки, обусловленной условиями от давления газов, зависит также от деформаций в плоскости поперечного сечения кольца.

Факторами, определяющими величину этих деформаций, является зазор между поршнем и цилиндром, деформация головки поршня под влиянием рабочей температуры (перекос перемычек между канавками), а также износ цилиндра и канавок поршневых колец.

Сравнивая конструктивные характеристики поршневых колец двух фирм (табл. 11 и 12), можно отметить, что моторесурс ЦПГ дизеля МАН ограничивается низкой работоспособностью поршневых колец (особенно верхних). Руководствуясь установленными предельными значениями зазоров в замках колец, два верхних кольца дизелей МАН достигают этой величины к 3—6 тыс. часов работы. При этих условиях поршневые кольца по ширине срабатываются до 20%, за счет чего, по мнению завода-изготовителя, они теряют свою упругость на 30—50%.

Таблица 12. Характеристика материала колец фирма „Дарос"
Характеристика	Марка материала
	R	RS	RAK
Материал Структура	Нелегированный специальный чугун Перлитовая	Специальный легированный чугун Перлитовая	Специальный легированный ] чугун Перлитовая
Присадки Модуль упругости, кг/мм2	Нет 10 500	Медь, молиб­ден, никель 11 500	Медь, ванадий, титан 11 500
Прочность на изгиб, кг/мм2	50	55	55
Твердость по Бри Нелю	195	205	210

Неравномерная по сечениям потеря упругости колец может быть причиной, способствующей прорыву газов с высокой температурой и, как следствие, возгоранию масляных остатков в неохлажденных полостях блока и поршневых полостях. Основным фактором столь низкого моторесурса поршневых колец дизеля. МАН является, прежде всего малая их высота. При снятых фасках высота рабочей поверхности колец является близкой к кольцам четырехтактных дизелей со средней частотой вращения.

Потеря упругости компрессионных колец подтверждается неравномерным их износом. Даже на последних моделях дизелей МАН концы колец по ширине срабатываются до 50% и более. Иногда на четверти окружности в районе замков не имеете» прилегания. На этих участках рабочая поверхность кольца покрыта нагаром.

Наблюдением установлено, что поршневые кольца около нижней кромки по всей длине поверхности кольца имеют блестящую полоску, что является результатом погиба кольца в поперечном сечении от сил давления газов и температурных деформаций головки.

Крышка цилиндра дизеля МАН колпачкового типа, в которую до вёрхнего поршневого кольца входит головка поршня. Эта конструктивная особенность способствует нагреву большей поверхности головки. В результате нагрева при работе дизеля головка деформируется, канавки поршневых колец получают волнистую поверхность (до 0,05—0,010 мм). Поршневые кольца за счет деформации перемычек при малых зазорах могут потерять подвижность.

Анализ характера износа поршневых канавок (кепов) подтверждает уменьшение аксиального зазора в начальные часы работы дизеля за счет остаточных деформаций материала головок поршней в результате работы в зоне высоких температур (рис. 30). Первоначальный монтажный зазор в канавке кольца приобретают через различные промежутки времени, от 5 до 10 тыс. часов работы дизеля. До получения рабочего зазора в канавках кольца имеют слабую подвижность, сопровождающуюся интенсивным износом и неправильной приработкой пары втулка—кольцо. Этот фактор длительное время способствует бессистемной замене компрессионных колец. Характер износа втулок теплохода «Выборг» (рис. 31) подтверждает слабую подвижность колец по причине высокой тепловой напряженности головки поршня.

На дизеле KSZ70/125 за счет изменения конструкции головки

поршня и снижения температуры в первой канавке поршневого кольца до 90°С улучшаются условия работы поршневых колец и всей ЦПГ. По этим причинам фирма МАН в зависимости от степени тепловой напряженности и наддува при диаметре порю на 700 мм устанавливает монтажные осевые зазоры, указанные в табл. 13.