CC BY
266
УДК 621.43.12-887
Е. В. Климова, А. Ф. Дорохов
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В СОСТАВЕ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Развитие современного флота Российской Федерации, разработка и строительство перспективных кораблей и судов невозможны без развития судовых энергетических установок (СЭУ). Выбор типа СЭУ является одним из наиболее важных этапов проектирования судна.
В настоящее время СЭУ с дизельными двигателями являются самыми экономичными и находят широкое применение на флотах всего мира. В ближайшей перспективе отчетливо просматривается тенденция к совершенствованию дизельных установок, и это одно из направлений дальнейшего развития судовой энергетики [1].
В настоящее время для российского флота характерно отсутствие серийного производства энергетических установок. Резервы улучшения показателей отечественных СЭУ - повышение агрегатной мощности за счет роста среднего эффективного давления, снижение удельного эффективного расхода топлива, увеличение технического ресурса известными методами - практически исчерпаны. Поэтому в последнее время широко развивается другое направление - применение новых типов энергетических установок с целью повышения энергетической эффективности, экономичности и экологической безопасности судов.
Применение наддува позволило повысить эффективность, не изменяя при этом геометрические характеристики двигателей. Существует несколько вариантов наддувных двигателей: двигатели с механической связью, с газовой связью поршневой части с турбиной и компрессором, двухступенчатый наддув [2]. Такие энергетические установки называют комбинированными и относят к первому уровню сложности.
Перспективным направлением является создание комбинированных энергетических установок (КЭУ) со свободнопоршневыми дизель-генераторами (СПДГ). Это эффективное направление совершенствования экологических и экономических характеристик. Предельное упрощение и сокращение массы и габаритов дизель-генераторов достигается полным исключением всех валов и всех механических приводов и передач.
Уменьшение эксплуатационного расхода топлива СПДГ по сравнению с транспортными дизель-генераторами традиционного исполнения составит не менее 30 %. В СПДГ возможно удовлетворение экологических требований МАРПОЛ 73/78. Расход масла у известных СПДГ на порядок меньше, чем у обычных. В СПДГ исключены поршневые пальцы, шатуны, коленчатые и распределительные валы, их приводы и опоры, противовесы и маховики, практически все межагрегатные и управляющие механические связи заменены информационными, реализуемыми микропроцессорным управляющим устройством - микроконтроллером. Для реализации информационных связей управления подачей топлива предусматривается использование электроуправляемых форсунок или насос-форсунок, а управления газораспределением -электромагнитных или гидравлических клапанов [3].
К КЭУ второго уровня сложности можно отнести турбокомпаундный двигатель. Прототип такой энергетической установки с силовой турбиной был разработан и испытан на базе серийной модели «Камминс №ГС-400» (рис. 1).
Базовый двигатель NTC-400 (6ЧН 14/15,2) с наддувом и охлаждением наддувочного воздуха имеет номинальную мощность 298 кВт при 2 100 об/мин. Минимальный удельный расход составляет 193 г/(кВт • ч), расход на номинальном режиме - 200 г/(кВт • ч). Силовая турбина низкого давления с радиальным подводом газа использует энергию отработавших газов (ОГ), выходящих из агрегата турбонаддува; вместе с корпусом подшипников она составляет отдельный модуль [4]. Два других модуля - высокооборотный и низкооборотный редукторы (со встроенной гидромуфтой). Двигатель оборудован двухконтурной системой охлаждения для снижения температуры заряда, что повысило термический КПД и снизило содержание окислов азота в ОГ.
Рис. 1. Схема турбокомпаундного двигателя
Использование силовой турбины потребовало некоторой конструкторской доработки дизеля, которая коснулась распределительного вала, клапанов, выпускных каналов, выпускного коллектора и турбонагнетателя; это позволило уменьшить потери в процессе выпуска. Ни температура, ни напряжение в деталях цилиндро-поршневой группы не повысились.
Создание в ближайшем будущем работоспособного адиабатного двигателя с достаточно высоким ресурсом во многом зависит от успехов материаловедения. Еще одна проблема - это смазка, которая должна выдерживать высокую температуру на поверхности цилиндра (480 °С вместо обычных 180-205 °С).
Из всего сказанного можно сделать предположение: в ближайшие 15-20 лет транспорт, оснащенный КЭУ, займет лидирующее положение в выпусках различных видов транспортных средств ведущих мировых фирм.
Брянским машиностроительным заводом (ОАО «БМЗ») использован опыт перспективного мирового дизелестроения в решении актуальных проблем - это создание «интеллектуального дизеля», имеющего электронное управление [5].
Высокая надежность достигается многократным и многоуровневым дублированием функций управления электронными блоками и реализацией функций самодиагностики.
Одним из основных достоинств двигателя является более низкий расход топлива на эксплуатационных режимах работы (в диапазоне мощности 50...85 % от номинальной). Экономия топлива достигает приблизительно 1,5... 3,0 г/(кВт • ч), что выражается, например, для танкера среднего водоизмещения, оснащенного главным двигателем мощностью 27 200 кВт, годовой экономией топлива в 200...300 т [5].
В конструкции двигателя в связи с отсутствием распределительного вала для обеспечения впрыскивания топлива и подъема выпускных клапанов используется гидравлический контур масла, находящийся под давлением 200 бар. Контур содержит отфильтрованное масло из циркуляционной системы главного двигателя.
При выборе величины подачи масла необходимо принимать во внимание содержание серы в топливе. Эта функция в «интеллектуальном двигателе» реализуется компьютером с использованием лубрикатора специальной конструкции типа Alpha. По данным фирмы-лицензиара, оснащение «интеллектуального» двигателя лубрикаторами типа Alpha наряду с улучшениями экологических параметров двигателя приводит к значительному снижению затрат на цилиндровое масло. Затраты снижаются приблизительно на 20 %, а это означает, например, что типовое судно с главным двигателем 6S90ME-C может получить экономию в размере 20 000...35 000 USD в год [5].
Одним из наиболее перспективных путей является широкое внедрение энергопреобразующих систем на основе машин Стирлинга. Конструктивно машина Стирлинга представляет собой удачное сочетание в одном агрегате компрессора, детандера и теплообменных устройств: теплообменника нагрузки (нагревателя или конденсатора), регенератора и холодильника (рис. 2). В качестве рабочего тела используют, как правило, гелий, воздух, азот, водород, которые во внутреннем контуре машины совершают прямой или обратный термодинамический цикл, состоящий из двух изотерм и двух изохор [6].
1 2 3 4 5
Рис. 2. Принципиальная схема машины Стирлинга: 1 - рабочий поршень; 2 - холодильник;
3 - регенератор; 4 - теплообменник нагрузки; 5 - поршень-вытеснитель
Преимущества двигателей Стирлинга:
- осуществление процесса горения вне рабочих цилиндров, протекающего равномерно;
- высокая степень экологической чистоты как самих рабочих тел машин Стирлинга, так и отработавших сред;
- высокая энергетическая эффективность (термический КПД цикла идеальной машины Стирлинга равен КПД цикла Карно) [7];
- возможность работы на любом виде горючего.
Недостатки:
- сложность математического описания и методов расчета проектируемых машин;
- сложность разработки и конструктивного исполнения основных узлов, обусловленная высоким давлением (15-40 МПа), особенностями рабочих тел, многообразием компоновочных схем и внешним подводом теплоты;
- сложность технологического исполнения, связанная с применением жаропрочных сплавов и цветных металлов, изготовлением и упаковкой насадки регенератора.
Неатомные подводные лодки (ПЛ), оснащенные традиционными дизель-электрическими энергетическими установками, способны непрерывного находиться под водой в течение 6-8 суток [8]. В связи с этим многие морские державы, отдавая предпочтение неатомным подводным лодкам, рассчитывают на развитие анаэробных (воздухонезависимых) энергетических установок (АНЭУ).
Анаэробные энергетические установки являются специфической областью автономной энергетики и могут использоваться на различных объектах, функционирующих без связи с атмосферой. К ним, помимо ПЛ, относятся подводные аппараты, специальные фортификационные сооружения, орбитальные космические станции и т. д. Для подобных энергетических установок значительно легче решается проблема утилизации теплоты в автономном режиме, т. к. охлаждение оборудования осуществляется за счет сброса низкопотенциальной теплоты в открытый океан. При создании перспективных АНЭУ для ПЛ основное внимание должно уделяться:
- источнику высокотемпературной теплоты;
- преобразователю прямого цикла;
- системе утилизации отработанных сред.
Так, в качестве источников высокотемпературной теплоты для АНЭУ могут быть использованы: ядерная энергия, органическое топливо, энергия химических превращений, радиоизо-топных излучений, горения жидких металлов и водорода и т. д.
К преобразователям энергии прямого цикла (двигатели Стирлинга, дизели, топливные элементы, электрохимические генераторы) предъявляются следующие требования: относительно низкая стоимость создания и эксплуатации, необходимый ресурс, отсутствие шума и вибрации, высокий КПД и высокая надежность в условиях длительного функционирования с незначительным объемом технического обслуживания.
Необходимо также отметить, что любая АНЭУ с тепловым двигателем требует разработки системы утилизации избыточных отработавших газов из замкнутого цикла, что является приоритетной задачей при создании АНЭУ.
Для каждого морфологического признака разработаны критерии эффективности. Так, горючее должно обладать высокой теплотворной способностью, нетоксичностью, взрывопожа-робезопасностью, низкой стоимостью, простотой доставки и хранения в местах базирования, незаметностью и простотой удаления продуктов сгорания [9].
Схема АНЭУ на базе машины Стирлинга с подводом части ОГ в камеру сгорания двигателя позволяет снизить температуру горения топлива, что увеличивает надежность работы двигателя 1. Такая АНЭУ работает следующим образом (рис. 3). В камеру сгорания 10 вместе с природным газом 5 подается избыточный кислород 4. Теплоноситель контура охлаждения двигателя 2 остывает до температуры ниже 0 °С (забортной воды) за счет теплообмена с забортной водой в аккумуляторе холода 3. Продукты сгорания после камеры сгорания поступают в теплообменник-охладитель 8, где охлаждаются забортной водой до температуры 0 °С, а затем в сепаратор 15, где от них отделяется Н2О. Углекислый газ и оставшийся кислород из ОГ 9 подаются в эжектор 12 для смешивания с новой порцией кислорода. Забортная вода в установках подается по магистрали
6, 7, которая проходит через аккумулятор холода 3 и теплообменник-охладитель 8 [10].
Рис. 3. Анаэробные энергетические установки подводом части ОГ в камеру сгорания двигателя
Предлагаемые технические решения перспективных АНЭУ отражают современные тенденции и в дальнейшем вполне могут стать энергетической основой коммерческого флота.
Проблема достижения действующих и перспективных требований, предъявляемых к судовым энергетическим установкам, является комплексной, и для ее решения необходимы совместные усилия научных институтов, инженеров-конструкторов, производителей двигателей и топлива.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Нерушайло А. Перспективы развития дизельных энергетических установок на кораблях и судах ВМФ // Судостроение. - 2005. - № 5. - С. 51-53.
2. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1980. - 361 с.
3. Пинский Ф. И. Конструкции и алгоритмы управления свободнопоршневых безвальных линейных дизель-генераторов для комбинированных энергетических установок транспортных средств // Лука-нинские чтения. Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса: Тез. докл. науч.-техн. конф. - М.: МАДИ (ГТУ), 2003. - С. 36-39.
4. Михайлов Л. И. На пути к созданию адиабатного двигателя // Двигателестроение. - 1982. - № 5. -С. 78-83.
5. Обозов А. А. «Интеллектуальный двигатель» производства ОАО «Брянский машиностроительный завод» - взгляд в будущее // Двигателестроение. - 2003. - № 4. - С. 31-34.
6. Кириллов Н. Г. Область применения машин Стирлинга - системы автономного энергоснабжения // Вестн. машиностроения. - 2005. - № 10. - С. 3-7.
7. Кириллов Н. Г. Производство машин Стирлинга - новое перспективное направление в развитии отечественного машиностроения // Вестн. машиностроения. - 2005. - № 8. - С. 36-39.
8. Замуков В. В., Петров С. А., Сидоренков Д. В. Состояние и перспективы развития воздухонезависимых энергоустановок подводных лодок // Судостроение. - 2007. - № 5. - С. 39-42.
9. Кириллов Н. Г., Амирханов Е. И. Анаэробные установки для подводных лодок на основе двигателей Стирлинга и сжиженного природного газа // Судостроение. - 2002. - № 4. - С. 47-50.
10. Гаврилюк И. И., Сидоренко Д. В. Обоснование выбора типа теплового двигателя и топлива для АНЭУ перспективных НАПЛ // IV Междунар. конф. и выставка по морским интеллектуальным технологиям «Моринтех»: Материалы конф. - 2003. - 375 с.
Статья поступила в редакцию 31.1.2008
PERSPECTIVE DIRECTIONS OF PISTON ENGINES DEVELOPMENT IN MARINE POWER INSTALLATIONS
E. V. Klimova, A. F. Dorokhov
The perfection of piston engines is one of the directions of further marine power installations’ development. The reserves of improvement of the marine power installation characteristics with the help of the existing methods are practically exhausted, that’s why the directions of new power installations’ use have been rapidly developing; they are the combinations of the piston-free dieselgenerator sets; the using of electronic systems with flexible engine control according to operating conditions; the creation of the mixed power installations on the basis of adiabatic engine; the introduction of energy-transducing system and the adaptation of anaerobic power installations. The getting of the modern normative indices and their perspective meanings is possible only by means of joint efforts of science and manufacture.
Key words: marine power installations, diesel engine, mixed power installations, getting of the modern normative indices, the perfection of piston engines.
