Doładowanie silników okrętowych - temat nr 4 (7).

a/ podstawy termodynamiczne procesów doładowania,

b/ istota i sposoby realizacji procesów doładowania,

c/ wykorzystanie energii spalin wylotowych: system impulsowy i stałocisnieniowy,

porównanie obu systemów,

d/ wpływ czynników eksploatacyjnych na prace układów doładowania,

e/ chłodzenie powietrza doładowujacego, wykraplanie pary wodnej i sposoby jej oddzielania

od powietrza zasilajacego silnik,

f/ turbosprężarki - nowe rozwiazania techniczne,

g/ awarie turbosprężarek - praca silnika z wyłączoną turbosprężarką,

h/ okoliczności wystapienia zjawiska pompowania turbosprężarki, sposoby zapobiegania i

usuwania ich przyczyn,

i/ diagnostyka procesu doładowania.

Proces wymiany czynnika roboczego polega na:

• przygotowaniu powietrza (oczyszczeniu, sprężeniu, schłodzeniu),

• doprowadzeniu go do przestrzeni roboczej w określonej ilości i w określonej fazie,

• odprowadzeniu spalin.

Zgodnie z powyższym układ wymiany czynnika roboczego dzielimy na układy:

• ładowania (doładowania),

• rozrządu,

• wylotu.

Konstrukcyjnie rozwiązanie poszczególnych układów zależy od:

• zasady działania silnika ( cztero- lub dwusuwowy),

• stopnia jego doładowania,

• sposobu sterowania rozrządem czynnika roboczego,

• systemu płukania przestrzenie roboczej.

Schemat układu wymiany czynnika roboczego silnika dwusuwowego - rys.7.1;

Chłodzenie powietrza ładującego, chłodnice powietrza.

W każdym cyklu roboczym do przestrzeni roboczej należy doprowadzić powietrze w ilości koniecznej do spalenia przypadającej na dany cykl dawki paliwa.

Zadanie to spełnia układ ładujący w skład, którego wchodzą ( rys.7.16):

• Filtr powietrza wraz z tłumikiem hałasu,

• Sprężarka lub zespół sprężarek,

• Zasobniki powietrza ładującego.

Filtry powietrza i tłumiki hałasu - zespół montowany na wlocie do sprężarki.

Zanieczyszczenie powietrza:

• Podczas załadunku w porcie,

• Przejścia kanałami i w rejonie portów,

• Burze piaskowe,

• Zanieczyszczenia parami olejów i paliw.

Rodzaje filtrów-budowa (rys.7.17):

• Przegrodowe suche, charakteryzujące się:

• dużą skutecznością odpylania (ilość pyłu zatrzymanego / ilosci pyłu podanego do filtra)

• trwałością zależna od rodzaju materiału filtracyjnego,

• oporem przepływu (różnica ciśnień statycznych za i przed filtrem)

• Materiały filtracyjne: wióry i siatki metalowe (1), materiały włókniste np., filc (2), materiały porowate, z surowców naturalnych i sztucznych (3).

Filtrom montowanym na wlocie do sprężarki powinna być poświęcana przez załogę maszynową szczególnie duża dbałość o ich czystość.

Sprężarki powietrza lądującego.

Wszystkie współcześnie budowane silniki okrętowe dwusuwowe i czterosuwowe są doładowane.

W zależności od stopnia doładowania silnika, stopień sprężania ၰ = p₂ / p₁ wynosi:

• 1,5 - 4,5 dla silników czterosuwowych,

• 1,3 - 3,5 dla silników dwusuwowych.

Klasyfikacja sprężarek powietrza ładującego ze względu na:

• zasadę działania:

• rodzaj napędu.

Ze względu na zasadę działania:

• wyporowe,

• rotodynamiczne,

Ze względu na rodzaj napędu:

• napędzane przez silnik, z którym współpracują,

• napędzane silnikiem elektrycznym,

• napędzane turbina spalinową.

Sprężarki wyporowe(rys.7.18):

• tłokowe - stosowane w silnikach starszej generacji,

• rotacyjne - stosowane obecnie, napędzane turbinami spalinowymi, taki zespół zwany jest turbosprężarką.

Sprężarki rotodynamiczne - w zależności od kierunku przepływu czynnika sprężanego przez sprężarkę, sprężarki rotodynamiczne dzielimy na:

• promieniowe zwane odśrodkowymi, stosowane obecnie (rys.7.23; 7.24; 7.25),

• osiowe, stosowane w układzie szeregowym jako wstepny stopień sprężania dla sprężarki promieniowej.

Rotodynamiczna sprężarka promieniowa ( odśrodkowa).

Zasada działania i budowa ( rys. 7.19) - części składowe:

• króciec ssący 1,

• wirnik 2 wraz z łopatkami 3,

• dyfuzor 4,

• zasobnik 5,

• wał 6.

Prędkość obrotowa sprężarek rotodynamicznych silników:

• wolnoobrotowych dużej mocy 6000 - 16000 obr/min,

• silników prądotwórczych 30000 - 40000 obr/min.

Sposoby chłodzenia powietrza lądującego.

Cel i korzyści schłodzenia powietrza ładującego.

Wzrost gęstości (masy) powietrza ładującego uzyskuje się nie tylko przez powiększenie jego ciśnienia w sprężarce a również przez obniżenie temperatury w chłodnicy.

Schładzanie powietrza daje dodatkowo:

• obniżenie średniej temperatury procesu roboczego,

• obniżenie temperatury spalin,

• obniżenie maksymalnego ciśnienia spalania,

• zmniejszenie obciążeń cieplnych i mechanicznych elementów komory spalania,

• zmniejszenie jednostkowego zużycia paliwa, zwłaszcza przy obciążeniach częściowych.

Granicę dopuszczalnego schładzania powietrza ładującego określa temperatura punktu rosy, po przekroczeniu, której w chłodnicy, kanałach dolotowych i zasobniku powietrza wykropli się określona ilość wody zależna od:

• temperatury dolotu powietrza do sprężarki,

• wilgotności względnej,

• stopnia sprężania.

Określenie najniższej temperatury - nomogram rys.7.28.

Wykraplanie się wody wzrasta z wilgotnością powietrza.

Krople wody napływające z powietrzem do cylindra mogą powodować:

• uszkodzenia korozyjne komory spalania,

• uszkodzenia tulei cylindrowej,

• rozbijanie filmu olejowego,

• wzrost lokalny temperatury w cylindrze, zacieranie, mikropęknięcia,

• pęknięcia tulei cylindrowej.

Sposoby chłodzenie powietrza ładującego.

• Chłodnice typu rurowego, chłodzone wodą zaburtową lub słodką.

Sprawność chłodzenia chłodnicy ( rys.7.29) - wzór 7.16.

t_pD - t_pW

ၨ_ch = ႾႾႾႾႾႾႾ

t_pD - t_wD

Jest to wielkość stała dla danej chłodnicy oraz dla danych natężeń przepływu powietrza i wody chłodzącej.

Sprawność chłodnicy maleje w miarę zwiększającego się stopnia zabrudzenia chłodnicy. Brudna w złym stanie chłodnica zmniejsza nie tylko sprawność chłodzenia, ale zwiększając opory przepływu powietrza powoduje znaczny spadek jego ciśnienia w zasobniku, przez co zmniejsza gęstość ładunku w cylindrze.

W silnikach wolnoobrotowych chłodnice umieszcza się w zasobniku powietrza.

W silnikach zespołów prądotwórczych chłodnice montuje się bezpośrednio pod turbosprężarką lub w zasobniku powietrza ( na dolocie do kolektora ssącego.

Wykorzystanie energii spalin wylotowych.

Doładowanie silników z zapłonem samoczynnym - rys.7.68.

Najważniejsze korzyści z doładowania silników okrętowych:

• Efektywne wykorzystanie nośności i objętości statku wskutek zmniejszenia ciężaru i objętości silnika napędu głównego.

• Zmniejszenie kosztów eksploatacji statku w wyniku większej sprawności silników doładowanych, mniejsze koszty inwestycyjne,

• Możliwość zastosowania silników bardzo dużej mocy 30-35MW, układów napędowych do 80MW.

Systemy doładowania dzielimy ze względu na:

• Rodzaj stosowanych sprężarek powietrza oraz sposób ich napędu,

• Sposób sprężania powietrza ładującego.

We współczesnych silnikach okrętowych, zarówno dwu- jak i czterosuwowych stosuje się głownie sprężarki rotodynamiczne napędzane turbina spalinową.

Ze względu na sposób zasilania turbiny spalinami (rys.7.68):

• Pulsacyjne - spaliny doprowadzane możliwie krótkimi przewodami z cylindra bezpośredni do turbiny, gdzie wykorzystuje się energię ciśnienia i energie kinetyczną. Spaliny doprowadza się wspólnym kolektorem z cylindrów, których cykle pracy przesunięte są o 240^oOWK ( silnik czterosuwowy) lub 120^oOWK (silnik dwusuwowy).

Wadą systemu jest mała sprawność efektywna turbiny spowodowana nieciągłością zasilania.

• Stałociśnieniowe - wyloty spalin z wszystkich cylindrów skierowane są do wspólnego kolektora.

W tym rozwiązaniu spaliny tracą znaczne część energii kinetycznej, ale korzystniejsze jest wykorzystanie energii w obecnie produkowanych bardziej sprawnych turbosprężarkach.

Ten system jest obecnie stosowany we wszystkich doładowanych silnikach okrętowych.

Porównanie systemów - rys.7.69.

Za względu na sposób sprężania powietrza rozróżniamy systemy:

• Sprężania jednostopniowego (stosowany współcześnie),

• Sprężanie dwustopniowe ( stosowane w starszych konstrukcjach).

Wpływ doładowania na proces roboczy i obciążenia:

• Zwiększenie mocy silnika - zwiększenie ładunku i dawki paliwa, zwiększenie pola pętli napełnienia i wylotu, efektywniejsze wykorzystanie objętości skokowej

• Polepszenie warunków spalania- staranniejsze przepłukanie, wyższe parametry procesu roboczego-polepszenie warunków spalania poprzez lepsze zawirowanie ładunku, wyższej temperatury na końcu sprężania, skrócenie zwłoki zapłonu, wzrost sprawności cieplnej, wykorzystanie energii w turbosprężarce.

• Zwiększenie sprawności ogólnej -zwłaszcza sprawności cieplnej przez samoczynne dopasowywanie się wydajności turbosprężarki do obciążenia silnika i mechanicznej poprzez zmniejszenie strat tarcia w stosunku do rozwijanej mocy, likwidacja dodatkowych wyporowych sprężarek powietrza.

• Mniejsza dynamiczność obciążeń mechanicznych.

• Większe obciążenie mechaniczne dla kadłuba i układów korbowo-tłokowych, zwłaszcza łożysk,

• Większe obciążenia cieplne dla tłoków, zaworów wylotowych i głowic oraz tulei cylindrowych.

Badania konstrukcyjne nowoczesnych silników maja na celu:

• Lepszy dobór materiałów konstrukcyjnych,

• Udoskonalenie metod obliczeń obciążeń cieplnych i mechanicznych.

• Rozpoznanie rzeczywistych stanów obciążeń cieplnych, zwłaszcza elementów komory spalania.

Udoskonalenia konstrukcji idą w kierunku utrzymania obciążeń mechanicznych i cieplnych komór spalania gwarantujących niezawodne działanie i trwałość poprzez:

• Skuteczniejsze chłodzenie elementów komory spalania (chłodzenie tłoków, kanałowe chłodzenie tulei cylindrowych i głowic)

• Doskonalenie konstrukcji tłoków, tulei cylindrowych, zaworów wylotowych, łożysk oraz polepszenie procesu roboczego.

Na wartość obciążeń cieplnych i mechanicznych istotny wpływ ma proces roboczy, czyli odpowiedni dobór jego parametrów takich jak:

• Temperatura ładunku,

• Stopień sprężania,

• Nadmiar powietrza,

• Kąt płukania

oraz sterowanie jego przebiegiem przez:

• Dobór momentu wtrysku,

• Oddziaływanie na zmniejszenie zwłoki zapłonu,

• Dobór charakterystyki wtrysku paliwa optymalnej ze względu na narastanie ciśnienia i wartości maksymalnego ciśnienia spalania.

Doładowanie silników czterosuwowych:

• Jednostopniowa turbosprężarka.

• System pulsacyjny w starszych rozwiązaniach.

• System stałocisnieniowy w nowych konstrukcjach - prosta konstrukcji układu wlotowego spalin w porównaniu z systemem pulsacyjnym.

Doładowanie silników dwusuwowych:

• Z uwagi na większe zapotrzebowanie powietrza niż w silniku czterosuwowym, ponieważ pracę usuwania spalin z cylindra wykonuje sprężone powietrze i musi to być wykonane w stosunkowo krótkim czasie.

• Stosowanie sprężarek o dużych wydajnościach wspomaganych przez sprężarki wyporowe.

• Stosowanie w okresie rozruchu sprężarek pomocniczych podczas pracy z bardzo małym obciążeniem.

Systemy doładowania silników dwusuwowych - wolnoobrotowych:

• System pulsacyjny,

• System stałocisnieniowy,

Sprężanie powietrza w jednej sprężarce lub w układzie sprężarek:

• Szeregowo,

• Równolegle,

• Szeregowo-równolegle

oraz:

• Jednostopniowo - turbosprężarka zasilana stałociśnieniowo lub pulsacyjnie.

• Dwustopniowo - turbosprężarka oraz dodatkowo wykorzystanie dolnej strony tłoka.

Współpraca silnika z turbosprężarką.

Silnik z turbosprężarką stanowią zespół sprzęgnięty „ pneumatycznie” strumieniem spalin i powietrza, charakteryzujący się znacznym stopniem samoregulacji termodynamicznej - samoczynnym dopasowywaniem się termodynamicznym.

Polega to na smoczynnej zmianie wydajności sprężarki w zależności od zapotrzebowania powietrza doładowujacego a więc zmiana obciążenia silnika powoduje:

• zmianę zapotrzebowania powietrza ładującego,

• zmianę ilosci i parametrów spalin,

• zmianę pracy wykonanej przez turbinę,

• zmianę efektów sprężania ładunku.

Od właściwego przebiegu tego procesu zależą:

• jednostkowe zużycie paliwa,

• obciążenia cieplne i mechaniczne elementów silnika,

• ich trwałość i niezawodność.

Poprawny dobór sprężarki do danego silnika, czyli jej „termodynamiczne dostosowanie”, zapewnia:

• przebieg procesu roboczego zgodny z założeniami konstrukcyjnymi w całym zakresie zmian obciążeń silnika,

• stabilną pracę turbosprężarki w szerokim zakresie zmian obciążenia silnika poprzez dostosowanie charakterystyki wydajności turbosprężarki do przepustowości silnika,

• optymalną sprawność turbosprężarki w zakresie obciążeń eksploatacyjnych.

Przepustowość silnika jest to objętościowe natężenie przepływu powietrza ładującego silnik.

Dla silnika doładowanego o danych charakterystycznych:

• objętości skokowej V_s [m³],

• prędkości obrotowej n [obr/min],

• stopieniu sprężania ładunku π = p_d / p_o,

• współczynniku przepłukania λ_p,

Przepustowość odniesiona do warunków ( stanu p_o,T_o) na dolocie do silnika wynosi:

V_s n z λ_p T_o π

V_D = _________ [ m³/s]

60 T_d

gdzie: T_o i T_d - temperatury na dolocie I wylocie powietrza ze sprężarki?

z - liczba zapłonów w cylindrze na jeden obrót wału:

• z = 1 dla silników 2-suwoeych;

• z = ½ dla silników 4-suwowych.

Przyjmując:

T_o

_ = 1 oraz stałą wartość λp przepustowość silnika dla stałej prędkosci obrotowej wynosi:

T_d

V_s n z λ_p T_o

V_D = K π gdzie K wielkość stała dla silnika K = ______ [ m³/s]

60 T_d

A więc przepustowość silnika jest proporcjonalna do stosunku sprężania π.

Wzrost prędkości obrotowej powoduje wzrost jego przepustowosci i odwrotnie.

Zmniejszenie obciążenia silnika powoduję:

• zmniejszenie jego przepustowości

• zmniejszając jednocześnie energię spalin powodując spadek prędkości turbiny

• zmniejszenie wydatku powietrza podawanego przez sprężarkę.

Przepustowość silnika w trakcie eksploatacji może się zmieniać głównie z:

• powodu zanieczyszczeń kanałów i przestrzeni wymiany ładunku,

• nieprawidłowego rozrządu czynnika roboczego.

Zanieczyszczenie okien wlotowych, nieprawidłowy rozrząd silnika powoduje przesuniecie krzywej przepustowości silnika w lewo, bliżej krzywej pompowania g.

Urządzenia dodatkowe układów doładowujących.

W celu lepszego przystosowania zespołu silnik - turbosprężarka do pracy w całym zakresie obciążeń:

• eliminacji pompowania,

• zachowania żądanego nadmiaru powietrza,

• zwiększenia sprawności efektywnej (zmniejszenia jednostkowego zużycia paliwa),

Poprzez głębszą utylizację (wykorzystanie) energii spalin, układy doładowania współczesnych silników okrętowych wyposaża się w dodatkowe urzadzenia spełniajace w/w zadania.

Przykłady stosowanych rozwiązań rys.7.88; 7.89; 7.90; 7.91.

Układ doładowania z zaworem upustowym:

• podczas eksploatacji przy obciążeniu 15-60% automatyczny upust nadmiaru powietrza do kolektora wylotowego spalin (zapobieganie pompowaniu),

• podczas eksploatacji przy obciążeniu powyżej 85% automatyczny upust spalin do atmosfery - ograniczenie p _max.

• w zakresie obciążeń 0,6 - 0,85 % zawory upustowe zamknięte.

System prosty w rozwiązaniu, ale mało ekonomiczny z uwagi na starty sprężonego powietrza.

Układ doładowania z zaworem obejściowym - możliwość regulacji ciśnienia powietrza ładującego ( w zasobniku powietrza) poprzez sterowanie prędkością obrotową turbosprężarki w drodze regulacji masowego natężenia przepływu spalin przez turbinę za pomocą zaworu obejściowego.

Korzyści:

• eliminacja pompowania,

• oszczędność paliwa (od 5 - 8 g/kWh w zależności od obciążenia silnika)

Przy obciążeniu silnika powyżej (0,6-065)Nn wykorzystuje się 10-20% spalin do napędu turbiny spalinowej-utylizacyjnej ( Recovery Power Turbine - RPT) napędzającej dodatkowa prądnicę lub przekazującej moc na wał silnika.

Układ doładowania z zainstalowanym silnikiem / prądnicą ( Turbocharger Generator Unit - TGU) sprzęgnięty z wałem turbosprężarki sprzęgłem.

Podczas małych obciążeń silnik/ prądnica TGU działajac jako silnik elektryczny przekazuje moment na wał turbosprężarki, wspomagając turbinę spełniając role sprężarki dodatkowej.

W zakresie obciążeń powyżej (60-65%)Nn silnik / pradnica TGU, po automatycznym przełączeniu, działa jako generator prądu napędzany wraz ze sprężarką przez turbinę, przekazując wytworzoną energię na potrzeby siłowni.

Odpowiednio automatycznie sterowany układ TGU zapobiega również pompowaniu turbosprężarki.

7

---