Двигатели внутреннего сгорания корабля ВМФ могут иметь существенные отличия по общей конструкции, конструкции отдельных деталей и их конструкции. Однако все двигатели имеют нечто общее в своей конструкции.
Рассмотрим условия работы тех или иных элементов двигателя, требования к конструкции, общую конструктивную схему и отличия конкретных конструктивных решений различных двигателей, поставляемых на суда ведущими производителями дизелей.
Детали остова
Состав остова судовых ДВС
Детали остова различаются прежде всего в зависимости от типа двигателя — стволового или крейцкопфного. В общем случае рама двигателя включает элементы (рис. 1): 1 — рама фундамента; 2 — кровать; 3 — блок цилиндров; 4 — крышка цилиндра; 5 — анкерное соединение (или анкерный болт). Все эти элементы являются обязательными для крейцкопфного дизеля.
Рис. 1 Схема скелета дизельного двигателя.
1 — фундаментная рама; 2 — кровать; 3 — блок цилиндров; 4 — крышка цилиндра; 5 — анкерное соединение (или анкерный болт)
Эти элементы могут принадлежать и штатному дизелю, как показано на рис. 2. В магистральном двигателе, однако, фундаментная рама Установка и регулировка фундаментной рамы и анкерных болтов могут отсутствовать, рама с блоком представляет собой единый моноблок.
Рис. 2 Основной 4-тактный магистральный дизель.
1 — фундаментная рама; 2 — кровать; 3 — блок цилиндров; 4 — крышка цилиндра
Мощные судовые главные двигатели крепятся к корпусу корабля фундаментными болтами А (снизу, сбоку и торцом, (рис. 1). У современных двигателей болты зажимаются гидравлическими стальными, чугунными или эпоксидными клиньями с наклоном примерно 1:100, которые устанавливаются под фундаментные болты. Если двигатель высокий, то он крепится в верхней части к корпусу корабля дополнительными ремнями Б. Небольшие двигатели с хоботом могут быть установлены непосредственно на днище корпуса корабля корпус или на амортизаторах (резиновых, резино-металлических, пружинных).
Анкерные крепления соединяют фундаментную раму, станину и блок цилиндров (рис. 3). Связки работают постоянно на растяжение под действием преднатяга и усилий от давления газов в цилиндрах. Затяжка соединений должна быть такой, чтобы даже при максимальном их растяжении при работе дизеля в стягиваемых деталях обеспечивались усилия сжатия.
Требования к конструкции — высокая механическая прочность в условиях переменных растягивающих усилий. Анкерные ленты всегда изготавливаются из стали. В крейцкопфных двигателях длина соединения якоря лишь немного меньше высоты двигателя. Длина соединения может достигать 8-10 м. Соединения проходят через отверстия, предусмотренные в блоках, станине и в поперечных опорах каркаса фундамента (рис. 3, а). Количество соединений не менее чем в 2 раза превышает количество цилиндров (при наличии приводного отделения — 4). В двигателях больших габаритов анкерные соединения могут быть составными (рис. 3, б). Верхняя 4 и нижняя 2 части скрепляются между собой гайкой 3. Соединения стягиваются гидравлически (обычно с давлением 900 бар) с помощью верхней гайки 5. При большой длине соединения для предотвращения возможных вибраций соединение фиксируется в средней части к раме стопорными винтами А (рис. 3, а) или В (рис. 3, б).
Рис. 3 дизельных якоря L45GFCA
В дизельных двигателях MAN-B&W последней разработки (модели S-MC-C) используются укороченные двойные анкерные ленты, которые вкручиваются в поперечные опоры рамы фундамента, стягивая только станину и блок цилиндров. В компании объясняют такое решение улучшением соосности подшипников рампы, которые в предыдущей конструкции, показанной на рисунке справа (модели S-MC), деформировались при затяжке анкерных креплений.
Следует обратить внимание на важное отличие российской и зарубежной терминологии по наименованию деталей двигателя. Так иностранные фирмы часто используют слово «картер» вместо термина «рама» (carter box). В российской практике под словом «картер» понимается не часть, а объем, заключенный между поддоном и стенками каркаса фундамента, кожух каркаса и полости под поршнем цилиндров (или диафрагмой — в крейцкопфный дизель).
Фундаментная рама
Фундаментная рама является основой для всего двигателя. Он работает в условиях значительных механических нагрузок, определяемых переменным давлением газов в рабочих цилиндрах, движущей силой цилиндров, силами динамики, а также деформацией корпуса при изменении внешних условий плавания. Поэтому основным требованием к конструкции каркаса фундамента является его жесткость. Конструкция должна быть жесткой, чтобы выдерживать силы от давления газов, крутящего момента, давления гребного винта, а также силы от деформации корпуса корабля при волнении моря или при изменении осадки корабля.
очевидно, что все эти требования могут быть выполнены только совместно — конструкцией фундаментной рамы и конструкцией корпуса корабля. В качестве примера можно привести корабли типа «Сплит», построенные в Югославии в 60-х годах прошлого века, где недостаточная жесткость корпуса корабля приводила к тяжелейшим авариям на раме двигателя (износ клиньев, трещины в раме фундамента , подвижки и трещины в блоках цилиндров) можно привести).
Фундаментная рама может быть полностью сварной из стали, сварного композита, чугуна или алюминия. Тяжелые морские главные двигатели обычно имеют цельносварную или сварную составную (состоящую из двух частей, скрепленных крепежными болтами) раму фундамента из конструкционной стали.
Наиболее важные дизельные двигатели с относительно небольшой мощностью могут иметь фундаментную раму из чугуна. Собранная конструкция основания двигателя 6К67ГФ показана на рис. 5. Две приварные части рамы фундамента — носовая и кормовая — имеют по 6 отсеков цилиндров с опорами для подшипников рамы, а в месте соединения двух половин между цилиндрами 3 и 4 — отсек привода.
В кормовой части рамы имеется одно отверстие для слива циркуляционного масла в расположенный ниже циркуляционный бак. Отверстие закрывается сеткой и уплотняется резиновыми листовыми кольцами. Подпятник в рассматриваемую конструкцию рамы не входит.
Двигатели старой конструкции имели несколько сложное сечение фундаментной рамы (рис. 6, а). Современные двигатели имеют «коробчатую» фундаментную раму (рис. 6, б) с массивными продольными А и поперечными Б раскосами. Роль поперечных ребер жесткости выполняют литые стальные опоры подшипников рамы коленчатого вала, приваренные к корпусу рамы фундамента. Опоры имеют станины для вкладышей коренных подшипников и два отверстия для выхода анкерных бандажей (или 4 резьбовых отверстия для ввода хвостовиков коротких анкерных бандажей рис. 4).
Рис. 4 типа анкерных ремней
Общий вид фундаментной рамы современного дизеля типа 5С70МС дан на рис. 7. В нижней части здесь в продольной наружной стене видны прорези для доступа к фундаментным болтам. В практике дизелестроения примером могут служить поперечные опоры фундаментной рамы крейцкопфных двигателей в виде двух стальных пластин, приваренных к корпусу рамы (двигатели Зульцер типа РД). Однако это решение часто приводило к трещинам в сварных швах поперечных опор, и от него отказались.
Вкладыши подшипников рамы обычно изготавливались из толстостенной стали, заливаемой белым металлом типа В-83 или В-88. Современным решением для двигателей MAN-B&W являются двухслойные тонкостенные стальные вкладыши коренных подшипников с гибкими торцами, отлитые из белого металла на основе алюминия (Al Sn40, рис. 8).
Количество отсеков в тихоходном главном двигателе корабля должно быть на 1 больше, чем количество цилиндров. Следовательно, подшипников рамы на 2 больше, чем количество цилиндров. Для размещения привода распределительного вала требуется дополнительное место. В более старых конструкциях отделение привода часто располагалось в середине двигателя, как показано на рис. 5. Одновременно с двигателя снят подпятник вала Ремонт валов и гребных винтов (суда типа «Победа», «Академик Сеченов» и др.). В современных двигателях отсек привода чаще всего предусмотрен с задней стороны двигателя, а подпятник встроен в двигатель и находится в этом же отсеке.
Рис. 5 Нижняя рама дизеля 6К67ГФ
В главных судовых двигателях крейцкопфового типа масло, вытекающее из подшипников, поступает в нижнюю часть картера и через одно или два отверстия в опорной раме (или — что то же самое — в поддоне картера) по нагнетательным патрубкам поступает цистерна циркуляционного масла, расположенная под двигателем в двойном днище корпуса корабля. Отверстия в масляном поддоне закрыты сеткой. Если на двигателе есть циркуляционный бак, может быть одно отверстие (с задней стороны двигателя). В двигателях старой конструкции практиковалось использование 2-х циркуляционных маслобаков (один из них считался резервным). При этом на патрубках выхода масла из поддона в каждый бак устанавливалась запорная арматура.
Рис. 6 Сечение несущей рамы двигателей типа B&W:
а — К74ЭФ; б — S70MC
В магистральных судовых двигателях с фундаментными рамами число отсеков равно числу цилиндров (рис. 9). Как правило, коленчатый вал размещается на подшипниках в фундаментной раме. Подшипники рамы — на 1 больше, чем количество цилиндров. Нижняя часть нижней рамы используется в качестве маслосборника. Здесь сосредоточено все циркулирующее масло двигателя. Во вспомогательных дизельных двигателях коренной подшипник со стороны фланца ВОМ обычно представляет собой упорный подшипник. В основном стволе дизели малой мощности, с фундаментной рамой, аналогичной показанной на рис. 9, чаще практикуется наружная осевая опора.
Рис. 7 Вид на нижнюю раму дизельного двигателя MAN B&W 5S70MC
Привод распределительного вала в виде зубчатой передачи выведен из картера.
Рис. 8 Вкладыши подшипников рамы дизелей типа МС-С
Каркас фундамента может быть цельнолитым (рис. 9) или полностью сварным (рис. 10).
Рис. 9 Дизель с литой нижней рамой DL-24 Daihatsu
Расчетная функция, приведенная на рис. 10, подвешенный коленчатый вал — это ремонт коленчатого вала и других крупных движущихся частей дизельных двигателей, которые крепятся к раме снизу. На этом рисунке показана фундаментная рама дизельного генератора, где фундамент представляет собой единую деталь, вмещающую как дизельный двигатель, так и генератор. Для магистральных судовых двигателей, не имеющих фундаментной рамы, роль играет рама, закрытая корпусом маслоотстойника.
Рис. 10 Сварная нижняя рама дизеля 7T23LH B&W
На рис. 11 показан двигатель с подвесным коленчатым валом без несущей рамы.
Рис. 11 Поперечное сечение двигателя Vartsila R22
Масляный поддон крепится к раме снизу и действует как масляный картер.
Станина
Рама двигателя является основой для размещения блока цилиндров. Он принимает на себя вес частей, размещенных выше. В крейцкопфном двигателе рама воспринимает нормальные усилия от давления газов в кривошипно-шатунном механизме. Масло из коренных и крейцкопфных подшипников, а также масло, разбрызгиваемое коленчатым валом, стекает в объем картера, ограниченный рамой. Основными требованиями к конструкции являются достаточная механическая прочность, герметичность по отношению к утечкам масла и легкий доступ к подвижным элементам при осмотре и ремонте.
Рама крепится к фундаменту двигателя с помощью резьбовых соединений. В крейцкопфных двигателях старой конструкции станина представляла собой сборную стальную конструкцию, состоящую из сварных А-образных стоек, обтянутых стальными пластинами с резьбовыми креплениями (рис. 12).
Рис. 12 Станина в виде А-образной стойки дизеля 6ДКРН74/160-2
В дизельных двигателях относительно малой мощности станина может быть выполнена в виде цельной чугунной детали. Современные двигатели имеют цельносварную конструкцию рамы (рис. 13).
Рис. 13 Цельносварная рама дизеля 6С70МС
В многоцилиндровых двигателях рама может состоять из 2-х частей, скрепленных крепежными болтами, из-за сложности изготовления и обработки одной детали.
В верхней части рамы крейцкопфных двигателей установлена диафрагма с уплотнением штока. Назначение мембраны — отделить нижнюю поршневую полость и продувочный ресивер от картера, предотвратить утечку продувочного воздуха в картер, предотвратить попадание отработанного масла и несгоревшего топлива (шлама) из нижней поршневой полости в картера и обеспечить циркуляцию масла из картера в полость под поршнем.
Традиционно диафрагма считается элементом рамы, хотя в современных дизельных двигателях она чаще относится к части блока цилиндров, которая находится выше, так как она отлита за одно целое с блоком. В относительно старых конструкциях диафрагма охлаждалась охлаждающей водой двигателя — за счет воспламенения шлама в полости под поршнем, для предотвращения взрыва паров масла в картере. В современных дизелях водяное охлаждение мембраны не предусмотрено.
Конструкция уплотнения штока двигателя MAN B&W S-MC показана на рис. 14. Корпус сальниковой коробки 1 состоит из 2-х половин, скрепленных болтами. Резиновое кольцо 2 герметизирует корпус снаружи.
Рис. 14 Сальник штока поршня для двигателя B&W типа S-MC.
1 — Корпус коробки сальника; 2 — Резиновое кольцо; 3 — верхнее грязевое кольцо; 4 — уплотнительные кольца; 5 — Нижние маслосъемные кольца; 6 — стержень; 7 — Пружины; 8 — Чугунные ножи. А, В — Направление движения масла при снятии колец
В корпусе 3 группы колец:
- верхнее грязезащитное кольцо 3 — для удаления грязи из штока поршня при опускании штока;
- два уплотнительных кольца после 4 — для предотвращения перелива чистящего воздуха;
- 4 нижних маслосъемных кольца 5 удаляют циркулирующее масло из штока, когда шток поднимается.
Все кольца составные, состоят из 3 или 4 сегментов, которые прижимаются к штоку пружинами 7. Материал сегментов — бронза. В некоторых конструкциях для улучшения герметичности колец в каждое уплотнительное кольцо, непосредственно контактирующее с поверхностью штока поршня, вставлены 2 чугунных ножа 8 («Ластики»). В последних модификациях дизелей маслосъемные кольца изготавливаются из чугуна.
Конструкция сальника дизелей Sulzer RTA58 (рис. 15) внешне отличается от конструкции MAN B&W, хотя работа сальников принципиально аналогична.
Рис. 15 Сальник для дизельных двигателей Sulzer типа RTA58
Все двигатели с крейцкопфом имеют 2 способа снятия уплотнения шпинделя для осмотра и ремонта:
- поршнем вверх — при очистке цилиндра;
- в двигателях MAN B&W для этого необходимо предусмотреть внутренний ряд болтов крепления к сальниковому кольцу (рис. 14), в двигателях Sulzer — наружный ряд болтов;
- вниз в картер, когда поршень не разобран; для этого вы должны предоставить гайки наружного кольца от MAN B&W и внутренние гайки от Sulzer.
В обеих конструкциях сальников нижние маслосъемные кольца снимают масло со штока и возвращают его в картер по направлению стрелки А. От верхнего маслосъемного кольца масло по отдельному каналу Б направляется в грязное масло бак (штоковый сальник бака). При ухудшении технического состояния сальников, при интенсивном наполнении бака со штоковыми сальниками грязное масло после очистки в центробежном сепараторе возвращается в циркуляционную систему.
Направляющие крейцкопфа являются важным элементом рамы крейцкопфных дизелей. В двигателях более ранних моделей направляющие отливались из чугуна, их рабочие поверхности полировались (рис. 16). Рули крепились к станине болтами. Направляющие также могут представлять собой стальную конструкцию, приваренную к раме, по которой скользят башмаки крейцкопфа.
Рис. 16 Дизельные крестообразные направляющие 6L67GFCA
При односторонней траверсе (двигатели Готаверкен ДМ 760/1600 ВГС-7У) направляющие только с одной стороны. При 2-х стороннем траверсе (все современные двигатели) направляющие располагаются симметрично с обеих сторон каждого цилиндра, как показано на рис. «Крейцкопф и шатун с головкой двигателя S70MC» позиция D.
Классификационные общества требуют установки предохранительных клапанов в каждом помещении с диаметром баллона более 300 мм — на случай взрыва в картере (элемент S на рис. 13). Все крупные морские главные двигатели имеют такие картерные клапаны в каждом цилиндре и отсеке привода. Предохранительные клапаны расположены со стороны газоотводящих трубопроводов. Все предохранительные клапаны картера имеют защитный корпус; изменение направления взрывной волны при взрыве (рис. 17).
Рис. 17 Клапан сброса картера
В вспомогательных двигателях средней и малой мощности почти исключительно преобладает моноблочная конструкция рамы и блока цилиндров. Станина и блок цилиндров цельнолитые из чугуна (для малых размеров — из алюминия). Такая моноблочная конструкция части вспомогательного дизеля 6L23/30 MAN B&W, широко применяемого для привода генераторов на кораблях ВМФ, показана на рис. 18.
Рис. 18 Моноблочная рама и блок цилиндров дизель 6L23/30 MAN-B&W
В конструкции блока, показанного на рисунке, предусмотрены съемные люки в каждом цилиндровом отсеке для доступа к подшипникам коленчатого вала с двух сторон — со стороны раздатки и со стороны выпуска. На люках со стороны выхлопа установлены предохранительные клапаны, показанные в разрезе дизеля на рис. 19.
Рис. 19 Поперечный разрез дизеля 6L23/30
В верхней части блока имеются лючки для доступа в отсек распредвала. Рамные подшипники коленчатого вала расположены в поперечных переборках блока, имеют верхнюю и нижнюю втулки, залитые белым металлом. Так как коленчатый вал подвесной, то он начинается снизу и упирается в нижние крышки подшипников рамы.
Блок цилиндров
Блок цилиндров служит в основном для размещения гильзы цилиндра, решая проблемы с охлаждением. На самом деле никаких усилий от давления газа напрямую блок не воспринимает. Поэтому к механической прочности блока не предъявляется высоких требований. Основными требованиями являются достаточная механическая прочность, герметичность системы охлаждения и удобство конструкции в плане изготовления и эксплуатации. Блок цилиндров обычно отливают из серого чугуна. Для небольших двигателей используются алюминиевые сплавы. Среднеоборотные двигатели имеют цельносварные стальные блоки цилиндров.
Для двигателей малой и средней мощности наиболее распространенным решением является изготовление блока всех цилиндров в виде единого моноблока. Как уже упоминалось, блок может быть объединен с рамой в виде единого картера (рис. 18). Однако для двигателей относительно больших габаритов изготовление моноблока представляет значительные трудности. Для этих двигателей блоки цилиндров отливаются индивидуально для каждого цилиндра (или для 2-х цилиндров). После механической обработки они соединяются в единый моноблок крепежными болтами. Блоки цилиндров также крепятся к раме резьбовым соединением.
Такая конструкция отдельного блока цилиндров крейцкопфного дизеля с прямоточной промывкой клапанов показана на рис. 20. Вид на установку дан со стороны управления.
Рис. 20 Блок цилиндров дизеля S70MC:
А — люк для осмотра и очистки от отложений из нижней поршневой камеры в цилиндр на стоянке после демонтажа крышки люка; Б — люк для осмотра цилиндра через промывочные окна при включении дизеля с запорным устройством; С — упаковка
Отсюда виден люк А, предназначенный для осмотра и очистки от отложений из нижней поршневой камеры в цилиндр на стоянке после разборки крышки люка. Люк Б предназначен для осмотра цилиндра через промывочные окна при проворачивании дизеля с запорным устройством. С противоположной стороны блок имеет проход для продувочного воздуха, поступающего из ресивера очистки через проставку, которая крепится к блоку на прокладке С. На рисунке показаны отверстия в блоке для прохода анкерных креплений. Выше показана одна из шпилек для крепления головки блока цилиндров.
Наиболее ответственным элементом в блоке является гильза цилиндра. На морских судах применяются только «мокрые» втулки, которые промываются непосредственно снаружи охлаждающей водой. Вместе с уплотнительными кольцами втулка запрессована в блок цилиндров. Втулка образует камеру сгорания, подвергается воздействию высоких температур, воспринимает давление газов, работает в паре трения «втулка-поршень». Поэтому к конструкции втулки предъявляются требования — способность работать при высоких температурах, хороший теплоотвод, высокая механическая прочность и низкий коэффициент трения при работе в парах трения. Этим требованиям в наибольшей степени отвечает ковкий чугун, который используется исключительно на всех главных и вспомогательных двигателях кораблей ВМФ. В редких случаях на высокофорсированных двигателях небольших габаритов можно встретить стальные втулки с азотированной рабочей поверхностью.
Условия эксплуатации ввода предъявляют к конструкции 2 противоположных требования. С одной стороны, для обеспечения хорошего отвода тепла для создания приемлемого теплового режима на поверхности зеркала цилиндра необходимо, чтобы сквозная стенка была как можно тоньше. Однако для обеспечения низких механических напряжений необходимо иметь большую толщину стенки. Эти противоречивые требования повлияли на значительное изменение конструкции ступицы по мере форсирования двигателей.
В безнаддувных двигателях камера сгорания образована поверхностями крышки, втулки и поршня (рис. 21, а). Неохлаждаемое плечо втулки, расположенное на уровне камеры сгорания, оказывалось в высокотемпературной зоне, что снижало надежность этого узла.
Рис. 21 камера сгорания двигателя:
а — Ч30/38; б — К74ЭФ; в – 57/80 тенге
Поэтому при дальнейшем форсировании двигателей естественным решением стало удаление буртика втулки из зоны высоких температур. Это решение привело к выносу камеры сгорания частично в поршень, частично в крышку (рис. 21, б), переносу камеры сгорания в крышку с помощью крышек капотного типа (рис. 21, в). Но при дальнейшем принуждении этого оказалось недостаточно. Для решения проблем термических и механических нагрузок в судостроении компания Sulzer применила в двигателях РД комплексное решение: толщина стенки верхней части втулки была уменьшена для снижения термического сопротивления при отводе тепла; механические усилия воспринимались бинтом, насаженным поверх рукава. Повышен коэффициент теплоотдачи охлаждающей воды за счет увеличения скорости движения воды в каналах между крышкой и гильзой.
Однако наиболее успешное удовлетворение требований по тепловым и механическим напряжениям выявлено в конструкции втулки двигателей Sulzer типа РНД (рис. 22, б). Гильза имеет массивный «воротник» с косыми отверстиями для прохода охлаждающей воды, которая предварительно омывает нижнюю часть гильзы. В зоне высоких температур на вводе толщина стенки между просверленными отверстиями и поверхностью газа минимальна, что обеспечивает хорошее охлаждение ввода и минимальную температуру поверхности на стороне газа. С другой стороны, массивный «воротник» решает проблему механического воздействия. Такое конструктивное решение втулки с расточками сегодня широко используется в практике дизелестроения как 2-х, так и 4-х тактных двигателей.
Рис. 22 Дизельные вкладыши: а — РД90; б
В большинстве случаев гильзы цилиндров изготавливаются цельными. Однако существуют композитные вкладыши. В какой-то момент Fiat предоставил тонкостенную «вкладыш», который нужно было заменить при износе без замены всей втулки. Современные мощные двигатели японского производства серии МС имеют композитную втулку (рис. 23).
Рис. 23 Ступица композитная для двигателя S70MC.
1 — верхняя часть рукава; 2 — рубашка охлаждения; 3 — верхнее плечо; 4 — шпильки крепления крышки цилиндра; 5 — блок цилиндров; 6 — съемная подкладка
Это решение, вероятно, обусловлено желанием упростить технологию производства. Муфта муфты проходит в плоскости ЕЕ, расположенной над блоком цилиндров 5. Верхняя часть втулки 1 закрыта высокой рубашкой охлаждения 2. В массивном верхнем бурте втулки имеются отверстия для прохода охлаждающей воды. Гильза может иметь съемный вкладыш 6. Внутри рубашки охлаждения проходят шпильки крепления крышки цилиндра.
Усовершенствование системы охлаждения дизельных двигателей MAN-B&W типа MC привело к новому решению для охлаждения верхнего буртика втулки. Принцип охлаждения можно пояснить с помощью схемы, приведенной на рис. 24. Как видно, гильза цилиндра 1 имеет глухие отверстия, в которые вставлена латунная трубка подачи воды 2. С нижней стороны трубы гильзы закатаны в корпус. Охлаждающая вода подается снизу по стрелке А через 4 патрубка в рубашку охлаждения 3, проходит по охлаждающим трубкам в корпусе рукава, охлаждает рукав с помощью кольцевых каналов между трубами и отверстиями и выходит из рубашки охлаждения по стрелка B к 4 выпускным трубам.
Рис. 24 Схема охлаждения ступицы.
1 — гильза цилиндра; 2 — латунная трубка для подачи воды; 3 — рубашка охлаждения
Такая конструкция позволила обеспечить качественное охлаждение и уменьшила высоту рубашки охлаждения. Иллюстрация новой конструкции неразъемного вкладыша дизелей серии МС-С приведена на рис. 25. Отличие от предыдущей конструкции не только в решении проблемы охлаждения верхнего воротника; значительно уменьшилась площадь наружной поверхности гильзы, охлаждаемой водой. Большая часть поверхности втулки охлаждается только чистящим воздухом.
Рис. 25 Цельный рукав с короткой охлаждающей рубашкой
На рис. 26 слева показана старая конструкция моделей МС с развитой системой охлаждения, в том числе с мембранным охлаждением, справа — конструктивное решение по рукавному охлаждению в последних моделях дизелей.
Рис. 26 Решения для охлаждения цилиндров для моделей MC и MC-C
обеспечение надежной работы пары трения «поршень-гильза» в первую очередь определяется качеством смазки цилиндров. Проблемы со смазкой решаются принципиально по-разному в крейцкопфных и тронковых двигателях. В крейцкопфных двигателях гильзы цилиндров имеют 6-8 отверстий с распределительными канавками на зеркале, по которым через масленочные штуцеры (масленочные штуцеры показаны на рис. 23 в разрезе СС) подается смазочное цилиндровое масло. Когда поршень движется вверх, смазка переносится поршневыми кольцами через поверхность цилиндра.
В тронковых двигателях втулки смазываются разбрызгиванием — частицы масла, вытекающие из подшипников и находящиеся в объеме картера, попадают на зеркало цилиндра в период нахождения поршня в области ВМТ. В дальнейшем это масло переносится поршневыми кольцами через поверхность цилиндра и под расположенные выше кольца за счет «насосного» действия колец.
Помните о различиях конструкции и условий работы блока и гильзы цилиндра в зависимости от такта двигателя и типа системы газообмена в 2-тактных двигателях.
Конструкция ступицы 4-тактного дизеля проста по сравнению с 2-тактным дизелем, потому что нет окон газообмена. Втулка вместе с уплотнительными резиновыми кольцами запрессована в блок цилиндров по наружной поверхности. В дизеле 6L23/30 (рис. 27) таких уплотнительных колец в нижнем поясе втулок два. Натяг верхнего пояса втулки обеспечивается притиркой верхнего буртика втулки и колодки. Охлаждающая вода, попадая в рубашку охлаждения блока, омывает втулку по всей наружной поверхности. Значительных перепадов температуры во вводе нет.
Рис. 27 Рукав с крышкой двигателя B&W 6L23/30
В 2-тактном двигателе с прямоточным клапаном более сложная конструкция — по всей окружности в нижней части втулки имеются очистительные окна (рис. 23, 25). Соответственно в блоке цилиндров имеются каналы для подачи промывочного воздуха. Как и в 4-тактном двигателе, температура гильзы на разных уровнях изменяется плавно. Еще более сложная конструкция втулки у двигателей с прямоточными канавками и контурными системами газообмена (рис. 22). Гильза имеет не только продувочное, но и выпускное окна. Теплоотдача интенсифицируется в районе выпускных окон – при выходе газов с большой скоростью коэффициент теплоотдачи увеличивается. Поэтому гильза имеет значительно более высокую температуру в районе выпускных окон, чем в прилегающей металлической массе.
Это особенно неблагоприятно для петлевых систем газообмена, где неравномерный нагрев металла втулки приводит к деформации, выбору зазора между втулкой и поршнем, что в конечном итоге может привести к повышенному износу цилиндра и в крайних случаях к повреждению поршня. В тяжелых случаях износа необходимо демонтировать поршень вместе с гильзой цилиндра. Для компенсации более тяжелых условий работы пары «поршень-втулка» в случае контурных систем газообмена предусмотрены дополнительные штуцеры для подачи смазки цилиндра в районе выпускных окон.
Крышка цилиндра
Головка блока цилиндров закрывает корпус двигателя, образует и герметизирует камеру сгорания, служит для размещения форсунок, контрольного крана, пускового и предохранительного клапанов, элементов газораспределения (в 4-тактных двигателях и 2-тактных двигателях с прямоточным клапанным газораспределением). Так как поверхность покрытия работает в области высоких температур и давлений, то основным требованием к конструкции является способность выдерживать термические и механические нагрузки. Этим требованиям препятствует то, что крышка имеет сложную конфигурацию, так как в ней должны быть размещены вышеперечисленные элементы и предусмотрены каналы для прохода охлаждающей воды.
Последнее условие является определяющим для 4-тактных двигателей. Сложность конструкции крышки определила материал и технологию изготовления. Для судовых 4-тактных двигателей крышки изготавливаются из чугуна индивидуально для каждого цилиндра (рис. 27). В маломощных дизелях крышки выполнены литыми моноблочными (одна на все цилиндры) из чугуна или алюминиевого сплава. Как правило, для герметизации камеры сгорания между крышкой и гильзой цилиндра устанавливают уплотнительное кольцо из красной меди или мягкого железа, при крышке-моноблоке — уплотнительную прокладку для всех цилиндров.
Крышки для 2-тактных дизелей имеют более простую конструкцию по сравнению с 4-тактными двигателями. Это позволило изготавливать крышки из литой стали в двигателях старой конструкции. На рис. 28, а показан кожух двигателя B&W K74EF, который в свое время получил наибольшее распространение на флоте. В литом стальном корпусе на крышке расположены 2 штуцера (с носа и с кормы), пусковой и предохранительный клапаны и индикаторный кран. Съемный узел выпускного клапана расположен в центре крышки. Вода, выходящая из полости охлаждения крышки, затем направлялась в полость охлаждения клапана.
Рис. 28 чехлов для дизельных двигателей K74EF B&W, RD76 Sulzer и K78Z MAN
Аналогичное конструктивное решение крышки использовалось фирмой Sulzer в двигателях типа РД и РНД (рис. 28, б). Корпус крышки стальной литой, в центре отлитая из чугуна клапанная вставка. Поскольку двигатели Sulzer не имели выпускного клапана Электронное управление и гидравлическое управление выпускным клапаном, сопло (в центре) и другие фитинги крышки были помещены во вставку клапана.
В 2-тактных двигателях MAN типов КЗ, КСЗ традиционно использовалась иная конструкция кожуха. Крышка составная с горизонтальным швом (рис. 28, а). Нижняя часть крышки более сложной конфигурации с полостями для водяного охлаждения отливалась из чугуна. Верхняя неохлаждаемая часть крышки отливалась из стали. Посередине разместили сопло. Рассматриваемая конструкция крышки является одной из первых конструкций крышки типа «колпачок», когда камера сгорания полностью располагается в крышке, буртик гильзы цилиндра вынесен из зоны высоких температур.
повышение уровня форсирования двигателей не позволило решить проблемы теплового и механического напряжения в рамках рассмотренных выше конструкций. Современные тихоходные двигатели фирм MAN — B&W и Sulzer, нашедшие наибольшее применение в качестве главных двигателей на кораблях ВМФ, перешли на кожухи капотного типа, выкованные из высоколегированной жаропрочной стали с отверстиями для охлаждения огневой поверхности и сотовым заполнителем охлаждение боковой поверхности (рис. 29).
Рис. 29 Кожух дизеля S70MC.
1 — выпускной клапан; 2 — рубашка; 3 — резиновые кольца; 4 — корпус шины; 5 — пружинные гайки
Вода для охлаждения крышки проходит через отверстия вблизи поверхности пожара, что обеспечивает хорошее охлаждение крышки. В то же время массивность корпуса крышки 4 определяет ее минимальное механическое воздействие. Камера сгорания уплотнена кольцом из мягкой стали 1. Рубашка 2 и резиновые кольца 3 решают проблему охлаждения боковой поверхности. Пружинные гайки 5 позволяют контролировать усилие затяжки корпуса форсунки. Обе фирмы использовали: 2-3 форсунки на цилиндр и 1 выпускной клапан, расположенный посередине, который крепится 4 болтами 6.
Использование нескольких форсунок на цилиндр — вынужденное решение, определяемое наличием выпускного клапана. Одна центральная форсунка обеспечивает более эффективное смесеобразование и использование объема воздуха в камере сгорания, чем несколько боковых форсунок. По этой причине некоторые фирмы, выпускавшие тихоходные дизели с прямоточным клапанным газообменом, использовали центральную форсунку и несколько выпускных клапанов (Mitsubishi — 3, Stork Hotlo — 4 клапана). Однако использование нескольких выпускных клапанов на цилиндр существенно усложняет конструкцию. Поэтому это решение не получило широкого распространения.
Компания B&W, начиная с ранних разработок тихоходных дизельных двигателей и до настоящего времени, производит тихоходные двигатели с одним выпускным клапаном. Его конструкция, кроме привода клапанов, существенных изменений не претерпела (рис. 30, 31, 32). Корпус выпускного клапана отлит из ковкого чугуна. Шток клапана выкован из жаропрочной стали с высоким содержанием хрома. Съемное седло клапана также изготовлено из легированной жаропрочной стали. Шпиндельные и страховочные ремни имеют покрывающие пояса из жаропрочного материала на основе кобальт-никеля или никель-хрома (Стеллит, Нимоник 80А, Инконель с технологией поверхностного упрочнения шпинделя Дюрас). Однако конструкция привода клапана изменилась.
В первых модификациях двигателя, в том числе и в моделях K-EF, выпускной клапан открывался «классическим» способом — с помощью кулачка на распределительном валу через толкатель и коромысло (рис. 30). Клапан закрывался комплектом из 4 пружин.
Рис. 30 Работа выпускного клапана дизельных двигателей K-EF
Внутренняя и внешняя пружины имели противоположные витки для предотвращения вращения клапана во время работы. Фактически 2 пружины в средней части были разрезаны на 4, между ними установлена прокладка — для увеличения собственной частоты пружин и предотвращения резонансных колебаний.
Начиная с двигателей K-GF, компания отказалась от механического способа открытия выпускного клапана и перешла на гидравлический. Гидравлическая система Гидравлические свойства тракта очистки и выхлопа восполняются из системы смазки распределительного вала. Поршень выпускного клапана получает движение от кулачка распределительного вала через роликовый клапан. Из выходной полости поршня масло по гидравлической трубке поступает в гидроцилиндр над шпинделем (рис. 31). Усилие от давления масла на поршень 4 гидроцилиндра сжимает пружины 5 и открывает выпускной клапан. Шпиндель 1 садится на седло 2 после окончания хода впрыска поршня под действием пружин. Изменилась и конструкция пружин. Всего на каждый клапан по периметру было установлено по 6 пружин (3 правых, 3 левых витка). Примененная конструкция повысила надежность работы клапана, дала возможность изменять фазы газораспределения во время работы двигателя и упростила техническое обслуживание.
Рис. 31 Дизельный выпускной клапан L67GF.
1 — шпиндель; 2 — зал; 3 — обмотка; 4 — поршень; 5 — пружины
В последующих модификациях тихоходных судовых двигателей компания MAN-B&W еще больше упростила конструкцию трансмиссии, исключив механический способ закрытия клапана (рис. 32). Клапан открывается гидравлически давлением гидравлического масла на поршень 4, как описано выше, и закрывается сжатым воздухом под давлением 7 бар. Для этого в конструкцию клапана был введен пневмоцилиндр с поршнем 5. Надежность клапана значительно повышается за счет самопритирки шпинделя 1 при посадке на седло. Самопритирка возникает при вращении диска клапана потоком выхлопных газов, натекающих на лопатки рабочего колеса, установленные на корпусе штока.
Рис. 32 Внешний вид и разрез выпускного клапана двигателя S70MC.
1 — шпиндель; 2 — ; 3 — ; 4, 5 — штамп
Относительно конструкции впускных и выпускных клапанов 4-тактных дизелей и их работы можно отметить принципиальную неизменность этих элементов как в старых, так и в новых модификациях. Каждый цилиндр имеет 1-2 впускных и 1-2 выпускных клапана с классической схемой привода с помощью толкателя. Новым элементом современных 4-тактных дизелей является выполнение выпускного клапана в отдельном корпусе вместе с седлом. Это позволяет снять выпускной клапан, не снимая крышку. Это решение пришло после массового перевода вспомогательных двигателей на работу на тяжелом остаточном топливе.
Газораспределение в 4-тактном дизеле осуществляется механически от кулачков газораспределения через толкающие ролики, толкатели, тяги и коромысла к впускным и выпускным клапанам (см рис. 2).
Газораспределительные клапаны изготовлены из жаропрочной стали. Посадочные пояса шпинделей и седла выпускных клапанов обычно свариваются из высокопрочного материала, например стеллита или нимоника. Для дизелей, работающих на высоковязком топливе, предусмотрено механическое вращение выпускных клапанов. Конструкция такого устройства Ротокап показана на рис. 33.
Рис. 33 Устройство Rotocap для поворота штока выпускного клапана.
1 — ; 2 — шары; 3 — ; 4 — пружинная шайба; 5 — ; 6 –
Вращение шпинделя происходит каждый раз при закрытии клапана за счет возвращения шариков 2 в седло под действием пружинной шайбы 4, которая сжимается при открытии клапана. При повороте клапана его самопритирка обеспечивается в тот момент, когда шток садится на седло.
Обязательным элементом головки блока цилиндров основного судового дизеля является предохранительный клапан (рис. 34).
Рис. 34 Предохранительный клапан дизельного цилиндра типа S-MC
В соответствии с рекомендациями изготовителя предохранительный клапан срабатывает, если давление в цилиндре превышает уровень давления сгорания для номинального режима прим. 20%. Давление предварительного натяга клапанной пружины регулируется механиком на испытательном стенде путем поворота гайки сверху.
