ИССЛЕДОВАНИЕ  РАБОТЫ  СУДОВЫХ  СРЕДНЕОБОРОТНЫХ  ДИЗЕЛЕЙ  НА  ТОПЛИВАХ  РАЗЛИЧНОГО  СТРУКТУРНОГО  СОСТАВА

Заблоцкий  Юрий  Викторович

канд.  техн.  наук,  доцент  кафедры  Судовых  энергетических  установок  Одесской  национальной  морской  академии,  Украина,  г.  Одесса

E-mail: 

RESEARCH   WORK  ON  MARINE  MEDIUM  SPEED  DIESEL  ENGINES  BY  FUELS   OF  DIFFERENT  STRUCTURAL  COMPOSITION

Z ablotskiy  Yuriy

candidate  of  Science ,  assistant  professor  of  marine  power  plants  department  of  Odessa  National  Maritime  Academy,  Ukraine,  Odessa

аннотация

Приведены  результаты  исследований  работы  судовых  среднеоборотных  дизелей  на  топливах  различного  структурного  состава.  Рассмотрено  влияние  топлив  с  различным  содержанием  серы  на  эксплуатационные  характеристики  работы  судового  дизеля  и  техническое  состояние  его  топливной  аппаратуры.

abstract

Results  of  researches  of  the  marine  medium  speed  diesel  engines  by  fuels  of  different  structural  composition.  The  influence  of  fuels  with  different  sulfur  contents  on  the  performance  of  the  marine  diesel  engine  and  its  technical  condition  of  the  fuel  equipment.

Ключевые   слова:  судовой  среднеоборотный  дизель;  структурный  состав  топлива;  эксплуатационные  характеристики  дизеля;  топливная  аппаратура  высокого  давления.

Keywords:  marine  medium-speed  diesel;  structural  composition  of  the  fuel;  operational  characteristics  of  diesel;  high  pressure  fuel  injection  equipment.

Одной  из  важнейших  проблем,  возникающих  при  эксплуатации  судовых  энергетических  установок,  является  повышение  надежности  и  долговечности  двигателей  внутреннего  сгорания,  количество  и  модельный  ряд  которых  постоянно  увеличивается  [2].  В  последние  годы  значительно  усовершенствовались  все  судовые  дизели,  в  том  числе  и  среднеоборотные  (СОД).  В  связи  с  этим  изменились  требования  к  качеству  топлива,  а  также  стало  в  большей  степени  проявляться  влияние  его  эксплуатационных  характеристик  на  эффективность  топливоиспользования.  Эксплуатационные  свойства  топлива  влияют  не  только  на  энергетические  и  экономические  параметры  работы  судового  дизеля,  но  и  непосредственно  определяют  его  хранение,  транспортировку,  перекачку,  подачу,  а  также  развитие  рабочего  процесса. 

Наиболее  общими  характеристиками  качества  топлива,  которые  в  определенном  сочетании  характеризуют  его  вышеперечисленные  эксплуатационные  свойства,  являются  вязкость;  плотность;  содержание  механических  примесей,  воды,  смол;  фракционный  структурный  состав;  температура  вспышки;  теплота  сгорания;  массовая  доля  общей  серы.  Стремление  судовладельцев  и  чартерных  компаний  к  снижению  эксплуатационных  затрат,  приводит  к  максимально  возможному  использованию  в  судовой  энергетике  высоковязких  сортов  топлива  с  низкой  стоимостью.  При  этом  данные  топлива  характеризуются  повышенным  удельным  весом  и  высоким  содержанием  сернистых  соединений.  Среди  определяемых  соединений  серы  находятся:  элементарная  сера,  сероводород  и  группа  с  невысоким  молекулярным  весом  —  меркаптаны,  сульфиды  и  дисульфиды,  которые  наиболее  коррозионно  активны  и  вызывают  коррозию  и  усиленное  смолообразование  в  топливной  аппаратуре.

В  современных  судовых  СОД  с  целью  снижения  эксплуатационных  расходов  используются  высоковязкие  топлива  с  максимально  допустимым  содержанием  серы.  Основными  топливами  для  судовых  СОД  являются  топлива  дизельное  маловязкое  MDO  (Marine  Diesel  Oil)  с  вязкостью  50  мм²/с;  моторное  средневязкое  HFO180  (Heavy  Fuel  Oil)  —  с  вязкостью  180  мм²/с;  моторное  тяжелое  HFO  380  —  с  вязкостью  380  мм²/с.  При  особых  условиях  работы  используют  аналогичные  марки  топлива  с  пониженным  содержанием  серы  НFO180-LS  (Low  Sulfur)  и  НFO380-LS. 

Топлива  для  судовых  дизелей  представляют  собой  сложные  соединения  горючих  элементов,  молекулярное  строение  которых  еще  недостаточно  изучено,  и  включают  в  себя  минеральные  примеси  и  влагу.  Элементарный  химический  анализ  этих  топлив  не  раскрывает  химической  природы  входящих  в  них  соединений  и  поэтому  не  может  дать  достаточно  полного  представления  об  их  свойствах,  но  позволяет  рассчитать  тепловой  и  материальный  баланс  горения  топлива.  Элементарный  химический  состав  топлива  выражается  зависимостью 

C ^p  +  H^p  +  O^p  +  N^p  +  S^p  +  A^p  +  W^p  =  100  %

и  состоит  из  горючих  веществ:  углерода  С  (содержание  которого  в  топливе  составляет  85…88  %),  водорода  Н  (с  содержанием  в  топливе  в  пределах  10…11  %),  серы  S  (содержание  которой  может  достигать  3,5  %),  а  также  кислорода  О  и  азота  N,  находящихся  в  сложных  высокомолекулярных  соединениях.  Кроме  того,  топливо  содержит  негорючие  минеральные  примеси,  превращающиеся  при  сжигании  топлива  в  золу  А  и  влагу  W. 

Структурный  состав  топлива  также  оказывает  свое  влияние  на  такой  параметр,  как  его  смазывающая  способность,  которая  оценивается  по  величинам  износа,  критической  нагрузке  заедания  металлов  и  сил  трения  (коэффициента  трения).  В  ряде  случаев  более  важной  для  практики  характеристикой  топлива  является  его  противоизносные  свойства,  а  не  смазочная  способность.  Это  объясняется  тем,  что  для  многих  агрегатов  (топливных,  гидравлических),  работающих  в  среде  низкомолекулярных  углеводородных  жидкостей  (масла  или  топлива),  более  важна  защита  их  от  повышенного  износа,  чем  некоторое  снижение  мощности  привода  вследствие  уменьшения  сил  трения  [3]. 

Основным  узлом  дизеля,  в  котором  может  эффективно  использоваться  смазывающая  способность  топлива,  является  его  топливная  аппаратура,  в  частности  плунжера  топливных  насосов  высокого  давления  (ТНВД)  и  распылители  форсунок.  Для  углеводородных  жидкостей  соблюдается  следующее  правило:  улучшение  противоизносных  свойств  приводит  к  улучшению  смазывающей  способности.  Но  из  этого  правила  есть  исключения,  прежде  всего,  при  граничном  трении,  которые  характерны  именно  для  ТНВД.  В  этом  случае  определяющую  роль  играют  особые  «квазикристаллические»  свойства  топлива,  которые  зачастую  не  описываются  расчетными  методами,  а  определяются  экспериментально  [1].

Смазочное  действие  топлива  в  реальных  условиях  работы  ТНВД  проявляет  себя  в  сложной  совокупности,  определяемой  условиями  трения,  поэтому  тяжелые  условия  работы  топливной  аппаратуры  выдвигают  повышенные  требования  к  триботехническим  характеристикам  как  самих  прецизионных  пар,  так  и  топлив,  используемых  в  СОД.

Учитывая  изложенное,  целью  работы  являлось  определение  влияние  структурного  состава  топлива  (в  частности  содержания  сернистых  соединений)  на  эксплуатационные  и  экономические  параметры  работы  судового  дизеля,  а  также  на  техническое  состояние  его  топливной  аппаратуры  высокого  давления.

Эксперименты  выполнялись  на  трех  однотипных  судовых  СОД  S6A2  фирмы  “Mitsubishi”,  имеющих  автономную  топливную  систему.  Это  позволяло  проводить  параллельные  исследования  для  различных  сортов  топлива.  Во  время  эксперимента  дизеля  имели  одинаковое  техническое  состояние  и  эксплуатировались  при  одинаковых  нагрузках.

В  качестве  эксплуатационных  характеристик  определялись  температура  газов  перед  газотурбонагнетателем  (ГТН)  и  максимальное  давление  сгорания,  которые  измерялись  с  помощью  штатных  средств  диагностики.  Эти  параметры  относятся  к  основным,  по  которым  происходит  регулирование  рабочего  процесса  дизеля  и  определение  рассогласования  нагрузки  по  цилиндрам.  За  экономическую  характеристику  принимался  удельный  эффективный  расход  топлива.

Исследования  проводились  для  разных  сортов  судового  топлива:  маловязкого  MDO,  средневязкого  НFO180  и  НFO180-LS,  тяжелого  НFO  380  и  НFO380-LS. 

Результаты  исследований  приведены  в  табл.  1  и  на  рис.  1,  2.

При  использовании  топлив  с  повышенным  содержанием  серы  в  его  структурном  составе  возрастает  температура  газов  перед  ГТН,  а  вместе  с  ней  и  тепловые  нагрузки  на  весь  дизель. 

Возрастание  степени  рассогласования  величины  максимального  давления  сгорания  по  цилиндрам  дизеля  свидетельствует  как  о  повышении  триботехнических  потерь  в  элементах  топливной  аппаратуры  дизеля,  так  и  худшем  распыливании  топлива.

Таблица  1. 

Влияние  топлив  различного  структурного  состава  на  эксплуатационные  характеристики  работы  судового  дизеля

Рисунок  1.  Рассогласование  температуры  газов  перед  ГТН  по  цилиндрам  судового  дизеля  S 6A 2  при  работе  на  различных  топливах:  а  —  высоковязкое  IFO  380;  б  —  средневязкое  с  низким  содержанием  серы  IFO  180-LS

Рисунок  2.  Рассогласование  максимального  давления  сгорания  по  цилиндрам  судового  дизеля  S 6A 2  при  работе  на  различных  топливах:  а  —  высоковязкое  НFO380;  б  —  средневязкое  с  низким  содержанием  серы  НFO180-LS

Кроме  того,  при  проведении  экспериментов  оценивалось  техническое  состояние  топливной  аппаратуры  дизеля  и,  в  частности,  состояние  поверхности  плунжера  ТНВД.  Основным  видом  дефектов  данного  узла  является  его  износ.  При  этом,  учитывая  степень  фильтрации  топлива  перед  ТНВД,  детали  топливной  аппаратуры  высокого  давления  более  подвержены  коррозионному  износу,  чем  механическому  или  абразивному.  Так,  наличие  воды  в  топливе  вызывает  коррозионное  разрушение  поверхностей  деталей  прецизионных  пар,  причем  оно  значительно  интенсифицируется  при  возрастании  количества  сернистых  соединений  в  топливе.  Частным  видом  коррозионного  износа  является  окислительный,  представляющий  собой  процесс  образования  на  поверхности  деталей  пленки  окислов  вследствие  адсорбции  кислорода,  растворенного  в  топливе.  В  процессе  трения  окисные  пленки  разрушаются  и  создают  продукты  износа,  состоящие  из  окислов  металла.  Этот  вид  износа  наблюдается  обычно  в  условиях  граничного  трения  (что  характерно  для  ТНВД),  когда  происходит  местный  контакт  поверхностей,  сопровождающийся  пластической  деформацией  и  насыщением  поверхностных  слоев  металла  кислородом,  растворенным  в  топливе.  По  мере  возрастания  толщины  окисных  пленок  последние  становятся  хрупкими,  и  от  внутренних  напряжений,  а  также  под  действием  гидравлических  ударов  струй  топлива,  происходит  их  разрушение,  при  этом  обнажаются  нижележащие  участки  поверхности  металла  и  процесс  разрушения  повторяется.

В  качестве  подтверждения  изложенному  на  рис.  3  приведены  развертки  профилей  плунжеров  после  1060  часов  работы  судовых  СОД  S6A2  (время,  позволяющее  провести  демонтаж  ТНВД  с  учетом  условий  эксплуатации)  на  топливах  различного  структурного  состава.

Приведенные  результаты  свидетельствуют  о  том,  что  стремление  обеспечить  эксплуатацию  судовых  СОД  на  относительно  дешевых  сортах  топлива,  характеризующихся  повышенными  вязкостью  и  содержанием  серы,  приводит  к  ухудшению  эксплуатационных  параметров  работы  дизеля  и  технического  состояния  его  элементов,  в  частности  плунжеров  ТНВД. 

Рисунок  3.  Развертка  профиля  плунжера  ТНВД  судового  дизеля  S 6A 2  после  1060  часов  работы:  а)  работа  на  топливе  НFO380;  б)  работа  на  топливе  НFO180-LS

Таким  образом,  одной  из  задач  современной  эксплуатации  судовых  технических  средств  является  нахождение  оптимальных  затрат  на  топливо  и  его  подготовку  при  минимальных  эксплуатационных  расходах  на  поддержание  требуемого  технического  состояния  и  параметров  работы  судовых  дизелей

Список  литературы:

1.Ахматов  А.С.  Молекулярная  физика  граничного  трения.  М.:  Физматиз,  1963.  —  472  с.

2.Конкс  Г.А.,  Лашко  В.А.  Мировое  судовое  дизелестроение.  Концепции  конструирования,  анализ  международного  опыта.  М.:  Машиностроение,  2005.  —  512  с.

3.Мацкевич  Д.В.,  Заблоцкий  Ю.В.  Определение  смазочной  способности  дизельных  топлив  //  Судовые  энергетические  установки:  науч.-техн.  сб.  2011.  №  28.  Одесса:  ОНМА.  —  С.  145—153.