Глава  1.

ОСНОВНЫЕ  СВЕДЕНИЯ О ДИЗЕЛЯХ  ТИПА  РД  и  РНД

§ 1. КРАТКИЙ  ОБЗОР  РАЗВИТИЯ  ДИЗЕЛЕЙ

  Швейцарская фирма Зульцер со своими лицензиатами строит двигатели с l905 г. Двухтактные двигатели типа Зульцер без наддува выпускались с 1920 г. с наибольшей агрегатной мощностью 8200 л. с., а цилиндровой—700 л. с. Применен наддув был в 1956 г. на старом  типе двигателя PC (RS). Наддув увеличил мощность двигателя на 33%.

  Следующими  более совершенными по конструкции  явились дизели с наддувом СД (SD). Затем были выпущены двигатели типа САД (SAD), РД (RD) (рис. 1). 

Рис. 1. Поперечный разрез дизеля типа РД Зульцер 
 

Рис. 2.  Поперечный разрез дизеля типа РНД Зульцер 
 
 

Наиболее  крупным двигателем этой серии является РД90 цилиндровой мощностью около 2500 л. с. с диаметром цилиндра 900 мм и ходом поршня 1150 мм. 

     Наиболее совершенным типом двигателя, выпущенным фирмой  во второй половине 1968 г., является РНД (RND) (рис. 2). Самая крупная модель имеет диаметр цилиндра 1050 мм и ход поршня 3200 мм, что обеспечивает цилиндровую мощность 4000 л. с. (12-цилиндровый двигатель имеет мощность 48000 л. с.).       

     Таким образом, за 15 лет, с увеличением диаметра  цилиндра  на 45% и повышением наддува, цилиндровая мощность увеличилась в 5 раз.

     Двигатели фирмы Зульцер имеют в маркировке следующие буквенные обозначения: S—крейцкопфный; О—реверсивный;

Т—тронковый; Р—с продувочным насосом; А—с  газотурбинным наддувом; R—с управлением выпуска; N—с газотурбинным наддувом при постоянном давлении.

    Фирма не всегда строго придерживается принятых обозначений.  Так в дизелях типа РД отсутствуют буквы S и А, хотя эти двигатели являются крейцкопфными и имеют наддув. В двигателях типа РНД отсутствуют заслонки, управляющие выпуском, но буква R осталась в марке.

После буквенных обозначений в марке  двигателя указывается диаметр  цилиндра  в сантиметрах. Перед  буквенными обозначениями стоит  число цилиндров в агрегате. 

§2, ПОСТРОЕЧНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДИЗЕЛЕЙ ТИПА РД и РНД.

Основные  параметры, дизелей типа РД и РНД приведены в табл. 1. Термины «номинальная мощность», «эксплуатационная   мощность» и «максимально-длительная мощность», встречаемые в различных документах этих двигателей, идентичны. Они употребляются для обозначения одного и того же понятия—100%-ной частоты вращения. Перегрузка двигателя в течение ограниченного промежутка времени возможна только на 10% от значения указанной мощности. В общем случае допустимая нагрузка в двигателях зависит во многом и от оптимального выбора комплекса «корпус — гребной винт» и от эксплуатационных условий.

Первый  двигатель типа РД (РД 76) Зульцер  был с масляным охлаждением поршней. Однако такие двигатели выпускались  недолго и почти одновременно были разработаны двигатели с  водяным охлаждением поршней, имеющие  более высокую цилиндровую мощность (см. табл. 1) за счет снижения тепло напряженности деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ).

.Первоначально  все двигатели с водяным охлаждением  поршней выпускались с одинаковым  значением цилиндровой мощности  независимо от количества цилиндров. Затем, испытания и расчеты, проведенные фирмой, показали, что у двигателей, имеющих  число цилиндров кратное  3, значение цилиндровой мощности при неизменной номинальной частоте вращения может быть увеличено.

Таблица 1

  Основные параметры  дизелей типа РД и РНД Зульцер     

Объясняется это значительно лучшей организацией продувки  и, как следствие, более  низкими температурными напряжениями. Поэтому следующим шагом в  усовершенствовании двигателей типа РД было увеличение мощности для машин с числом цилиндров, кратных 3.                                    

      Последние изменения показателей  двигателей касались увеличения  номинальной частоты вращения  номинальной цилиндровой мощности.У  двигателей РД 90 и РД 76 частота вращения повышена до 122 об/мин, у РД68—до 150 об/мин. Однако эксплуатировать двигатели с такой частотой вращения возможно только при соответствующем гребном  винте. Наименьшее число цилиндров у двигателей РД44 и РД56 составляет 4, у двигателей РД 68, РД76 и РД90 равно 5. Однако в 1966 г. появилось сообщение об удачном испытании и монтаже  на судне 4-цилиндрового двигателя. РД76.  Это обстоятельство следует иметь в виду, так как в проспектах и каталогах для  двигателей РД76 указано минимальное число цилиндров 5.

  В настоящее время фирмой и ее лицензиатами выпускаются двигатели типа РНД, являющиеся результатом разработки хорошо зарекомендовавших себя  в эксплуатации двигателей РД. Фирма  сохранила основные особенности  дизелей РД: принцип поперечной продувки с простой цилиндровой крышкой  без заслонок, управляющих выпуском; сварную фундаментную раму и

 сварные  станины, составляющие с цилиндровыми  блоками жесткую конструкцию;  полное отделение картера от  цилиндров; водяную систему охлаждения  поршней; инструменты и приспособления, разработанные для двигателей РД.

Отличие двигателей рнд от РД заключается в следующем:

применена система наддува с постоянным давлением, обеспечивающая  большую эффективность при высоких степенях наддува, чем импульсная, три этом вращающиеся заслонки, управляющие выпуском, ликвидированы; работа двигателя на малых нагрузках обеспечивается вспомогательной турбовоздуходувкой с электроприводом; сальники поршневого штока и телескопических труб охлаждения поршней имеют новую конструкцию и располагаются в специальной выгородке в подпоршневом пространстве; усовершенствована телескопическая система. Все это практически полностью предупреждает попадание масла и продуктов сгорания в системы охлаждения и смазки; цилиндровая втулка для интенсификации охлаждения имеет в верхней части специальные тангенциальные каналы.

Двигатели типа. РНД обеспечивают  мощность от 7500 до 48000 л. с., т. е. могут с успехом применяться на современных специальных судах.

  Несмотря  на большие цилиндровые мощности, двигатели типа РНД имеют меньшие температурные напряжения. При полной  нагрузке у двигателей РД76 и РД 90 температура стенки втулки против верхнего кольца при нахождении поршня в верхней мертвой точке (в.м.т.) составляет 180° С, а у РНД 90 и РНД 105— 150°C.                               '

  Более низкая тепло напряженность двигателей типа РНД повысила их надежность и  снизила стоимость эксплуатации и ремонта.

Глава II

ЭКСПЛУАТАЦИЯ  И ДЕФЕКТЫ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ  ДИЗЕЛЕЙ

§ 3. КРЫШКИ ЦИЛИНДРОВ

  В процессе создания крейцкопфных дизелей большой мощности типа РД Зульцер решалась задача обеспечения прочности  долговечности деталей. Толщины стенок деталей, и в первую очередь втулки крышки цилиндра,  увеличиваются  пропорционально габариту дизеля; при этом соответственно повышаются тепловые напряжения. Совершенствование двигателей  заставило изыскать конструкции крышек цилиндров, подобные крышке дизеля РНД 76 (рис.3). Соприкасающиеся с горячими газами днища крышек цилиндров делаются сравнительно тонкими.  Обеспечение необходимой прочности при воздействии давления газа

Рис. 3. Камера сгорания дизеля типа РНД Зульцер:

I— штуцер масляный;  2—станина;  3 — втулка цилиндровая;  4 — головка поршня;  5—крышка цилиндровая;                   6— вставка цилиндровая;  7 — клапан предохранительный;  8—форсунка;   9 — клапан пусковой. 

достигается поддерживанием днища соответствующими деформируемыми ребрами или опорными вставками. Фирма Зульцер  в своей усовершенствованной модели РНД 90 по сравнению с РД 90 добилась снижения максимальных напряжений от давления газов на 36% и термических нагрузок на 10%. В Эксплуатации крышки цилиндровые дизелей типа РД показали себя достаточно надежными. Удовлетворительная работа данного узла обеспечивается улучшениём конструкции, интенсификацией охлаждения и увеличением расхода воздуха.

§ 4. ВСТАВКИ ЦИЛИНДРОВЫХ КРЫШЕК, УПЛОТНИТЕЛЬНЫЕ  КОЛЬЦА  И   ВТУЛКИ

          Существенно влияют на надежность  в период эксплуатации  дизелей  Зульцер вставки цилиндровых  крышек. В Черноморском пароходстве  на дизелях РД 76 отмечались появления кольцевых трещин в районе, гнезда форсунки, пускового и предохранительных клапанов, что приводило к выходу из строя  вставки. Аналогичные повреждения, но носящие характер редких случаев, имели место на судах типа «Красноград» Балтийского пароходства. Отмечается также ненадежность индикаторных кранов, пропуски которых приводят к местному перегреву вставки крышки цилиндра и искажению  индикаторных диаграмм.

В Азовском  пароходстве наблюдались выходы из строя вставок цилиндровых крышек дизелей 6РД 76 на судах серии «Звенигород». На теплоходе «Запорожье» в течение одного года эксплуатации в гарантийном периоде вышли из  строя  2 вставки, на теплоходах «Златоуст» —6, «Закарпатье» —7. На 14  вставках под съемными гнездами форсунок образовались водотечные трещины. В пароходстве считают, что основная причина появления трещин—это наименьшее сечение вставки, расположенное в плоскости вращения мотыля: по оси вала двигателя сечение вставки имеет четыре ребра жесткости, в плоскости вращения мотыля— два.

  При подводе тепла со стороны камеры сгорания донышко вставки стремится  прогнуться выпуклостью вниз, поэтому  в ребрах форсуночного канала создаются  растягивающие напряжения, приводящие к образованию трещин в слабом сечении. Образованию трещин способствуют: остаточные напряжения и усадочные раковины в районе гнезда форсунки, возникающие в отливках вставок; несоблюдение плавного ввода в режим и вывода главного двигателя из режима полного хода, а также частые пуски, реверсы, их количество и характер; неравномерная и чрезмерная затяжка шпилек крепления вставок и арматуры; деформация посадочных буртов во вставках и цилиндровых крышках (рис. 4).  Анализ причин выхода из строя вставок в гарантийный период эксплуатации на судах «Златоуст» и «Закарпатье» позволяет отметить, что нарушений  Правил технической эксплуатации не было, но водотечные трещины стали появляться через 4—6 мес.  с начала работы двигателя, на некоторых  вставках — через 2—3 мес.

Причем, ни конструктивно, ни технологически они  не отличались от предыдущих. Однако установлено, что затяжка  шпилек крепления  вставок  была неравномерной и величина ее на отдельных шпильках несколько превышала рекомендованное заводом значение (100 кгс\ м). Бурты вставок и крышек были неровны и зава-

лены  внутрь цилиндра. Деформация буртов в крышках по замеру щупом составила 0,2 мм. При обжатии вставок появились в стенках форсуночного канала дополнительные напряжения, приводящие к образованию трещин. Проверка и притирка буртов, обжатие динамометрическим ключом шпилек  крепления вставок с ре- комендованным усилием, выполненные на двигателе теплохода «Закарпатье» в 1970 г., дали положительные результаты.

Рис. 4.   Деформации  буртов крышек цилиндровых дизелей типа РД:

А — разрез в  плоскости вращения мотыля; б—разрез по оси вала двигателя;

I — места образования трещин; 2 — стрелка прогиба днища вставки при обжатии кормовых и носовых шпилек;                   3 — места прилегания  по  краске;   4—вставка;  5 — крышка.

Рис 5. Калибр-притир для исправления буртов в крышках и цилиндровых  вставках дизеля 6РД 76' 

  Для предотвращения возникновения трещин во вставках цилиндровых крышек необходимы следующие мероприятия: 1) суда с  дизелями типа РД Зульцер снабдить набором динамометрических ключей для обжатия шпилек крепления вставок и арматуры; 2) на судне иметь калибры—притиры для исправления буртов в крышках и вставках: два рабочих (рис. 5) и один контрольный. Бурты в крышках имеют завал во внутрь цилиндра, при притирке стирается внешняя сторона торца притира. Поэтому притиры периодически проверять и пришабривать по плите. Первую проверку и притирку буртов проводить через 2—3 мес. последующие — через 5—6 мес. до тех пор,  пока не стабилизируется ровная поверхность буртов.

Более эффективным является изменение  конструкции вставок: в ослабленном сечении вставки в плоскости вращения мотыля двигателя предусмотреть ребра, подобные, ребрам пускового и предохранительного клапанов, расположенные по оси двигателя.                                                

  В Черноморском пароходстве в результате обобщения эксплуатационных данных дизелей РД 76  Зульцер выработаны практические рекомендации по повышению надежности и уровня технической эксплуатации цилиндровых вставок.

    В процессе длительной эксплуатации  дизелей наблюдается, что переменные нагрузки и температуры отрицательно влияют на  плотность технологических пробок,  которые, ослабевая, начинают  пропускать охлаждающую воду в кольцевую полость между наружной цилиндрической поверхностью вставки и внутренней  поверхностью крышки цилиндра. Если воду пропускают пробки, расположенные на горизонтальной поверхности вставки, течь легко обнаружить и при первой стоянке в порту устранить без выпрессовки вставки. Значительную течь в пробках, расположенных на цилиндрической поверхности вставки, легко обнаружить по пару  и конденсату, выходящим из полости во вставке, в которой установлен предохранительный клапан, через контрольное отверстие, соединяющее кольцевую полость между вставкой и крышкой цилиндра с полостью предохранительного клапана. Если течь своевременно обнаружена, то при первой стоянке судна вставку выпрессовывают и уплотняют технологические пробки. Если одна или несколько пробок, расположенных на цилиндрической поверхности вставки, длительное время пропускают то заметить пар или конденсат, выходящие из полости предохранительного клапана, практически невозможно. Поступление воды и ее выпаривание ведет к коррозии вставки,  отложению накипи и шлама в полости   между крышкой и вставкой, что затрудняет ее выпрессовку.

    Для облегчения работ, связанных с выемкой вставки, на теплоходе «Иван Франко» Черноморского пароходства  внедрили простое и надежное приспособление, которое состоит из трех гидравлических домкратов (рис. 6), расположенных между крышкой цилиндра (рис. 7) и вставкой по окружности под углом 120°. Кольцевой трубопровод (рис, 8), связывающий три домкрата, должен выдерживать давления до 500 кгс/ом². Рекомендуется использовать для него топливные форсуночные трубки дизель генераторов, поставляемые фирмой в комплекте приспособления для двигателя гидравлического пресс насоса с манометром, подсоединяемым к кольцевому трубопроводу.

  Для подготовки приспособления к работе и выпрессовки вставки следует  отсоединить трубопроводы от вставки. Отдать и снять гайки крепления  вставки с цилиндровой крышкой, установить гидродомкраты между вставкой и крышкой по окружности через 120°. Это делается так, чтобы осевая линия скалки домкрата совпала по ширине со средней линией нижнего ребра вставки, подсоединить кольцевой трубопровод к домкратам и пресс насосу. Открыть запорные клапаны на гидродомкратах и, прокачивая прессом, удалить из системы воздух. Создать в системе давление б—10 кгс/см² и убедиться, что скалки домкратов установлены, верно. Затем увеличить нагрузку на домкраты (100— 300 кгс/см²). Когда вставка начнет  выходить из цилиндрической  крышки и давление в системе упадет до 16—20 кгс/см²,  подъем  вставки выполняют тельфером.

  Другим  ответственным узлом являются теплостойкие огневые кольца, которые защищают верхнюю часть чугунной втулки от воздействия высоких температур продуктов сгорания. Между втулкой и кольцом в холодном состоянии устанавливается зазор, величина которого должна компенсировать тепловое расширение и обеспечить плотный контакт кольца с втулкой после пуска двигателя.     

Рис. 6.  Гидравлический домкрат:

./—плунжер; 2—уплотнительное кольцо;

3—корпус;  4 — прокладка красномедная;

5 — штуцер;  6 — пробка.

Рис. 7. Установка гидравлических домкратов для выпоессовки вставок:

/ — контрольные отверстия;  2 — гидродомкраты;   3—клапан   предохранительный;

4 — уплотнения;  5 — пробки технологические;   6 — коррозионные  отложения и шлам;  7 — щтуцер   подключения пресс насосов 

  Установка огневых колец в двигателях небольших  мощностей полностью себя оправдала. Однако у дизелей типа РД Зульцер, особенно при применении тяжелых топлив, появились аварии цилиндров вследствие повреждения огневых колец. Анализ аварий показал, что повреждения происходят в результате коррозии, образования трещин и конструктивных недостатков теплостойких колец. Коррозия колец происходит при неудовлетворительной работе топливной аппаратуры или перегрузке цилиндра, когда возникают локальные перегревы. При: нагревах до температуры около 650°С  происходит плавление ванадия, вызывающее  ванадиевую коррозию. Трещины огневых колец образуются в процессе  работы двигателя, когда между кольцом и втулкой отлагаются остатки продуктов сгорания, ухудшающие теплопередачу, что приводит к перегреву кольца и образованию трещин. Появление трещин отмечается и тогда, когда кольцо изготовлено из материала, у которого коэффициент линейного расширения отличается от материала втулки. Для изготовления огневых колец ранее применялась легированная сталь ЗСч 130 с содержанием хрома 13%. После экспериментальных исследований фирма предложила изготовлять кольца из ферритной легированной 

стали с содержанием хрома 12%, молибдена 1%, ванадия 0,3%, у которой предел текучести  при 400°С 46кг/мм², что на 35% выше, чем у стали, применявшейся ранее. К конструктивным   недостаткам огневых колец следует отнести их форму, при которой недостаточная точность обработки может привести к заклиниванию поршня. Чтобы обеспечить нормальную работу кольца при радиусах закругления в приливах втулки 6 мм, фирма предложила на кольцах с обеих сторон делать; конусные срезы (рис. 9, а, б), что улучшило работу колец.

Рис.  9.. Выполнение огневых колец и монтажные зазоры:

. . .       а — старая конструкция;  б — новая конструкция 

  Конструктивные  недостатки колец сказались в установке зазоров между кольцом и втулкой, а также между кольцом и крышкой  цилиндра.  Вначале у дизелей РД 90, РД 76, РД 68 между кольцом и втулкой был установлен в холодном состояний зазор 2—1,8 мм.  В эксплуатации оказалось, что в двигателях типа РД76 и

РД90  при этом зазоре есть контакт кольца с втулкой и напряжения в нем  снижаются до предела текучести,    т. е. они оптимальные; в двигателях  РД 68 этот зазор велик. Фирма экспериментальным  путем установила оптимальное значение зазора 5,2—2,2 мм  для двигателей РД 68. Это привело к увеличению

диаметра кольца.

Рис. 10. Сальник штока  крейцкопфа в сборе

Таблица 2.

Монтажные зазоры огневых колец

Крышку  цилиндра устанавливают на металлической  прокладке толщиной 1 мм. Зазор между  крышкой и кольцом на всех двигателях типа РД первоначально был равен 1—1,6 мм. Опыт эксплуатации показал, что  такой зазор не обеспечивает нормальной работы двигателя, так как в случае неправильного обжатия крышки, чрезмерного затягивания гаек прокладка деформируется,  и зазор настолько уменьшается, что при нагреве кольцо вступает в контакт  с крышкой и стремится оторвать ее от втулки. Фирма сочла возможным уменьшить высоту кольца и этим увеличить зазор. Рекомендованные зазоры для новой и старой конструкции приведены в табл. 2. В настоящее время фирма выпускает цилиндровые втулки без огневых колец.

 Уплотнительные  втулки, входящие в сальники штока  (рис. 10), предупреждают загрязнение кривошипной камеры, от продуктов сгорания.

  Уплотнительная  втулка состоит из двух частей. Верхняя  часть является грязесборником и  уплотнениями не допускает поступления  продувочного воздуха, нижняя—«попадания  масла из картера в цилиндры.              Все уплотняющие масло сборные элементы находятся под давлением шланговых пружин. Элементы и пружины могут быть проверены без демонтажа поршня и при необходимости заменены.

§ 5. ПОРШНИ И ПОРШНЕВЫЕ КОЛЬЦА

  Поршень дизеля является одной из важных деталей в эксплуатационных условиях, испытывающих механические и термические нагрузки. На рис. 11 приводится  эпюра нагрузок, действующих на поршень, на рис. 12—характерная деформация поршня в работе. 

  Рис. 12.    Деформация поршня

Рис. 11.   Характер нагрузок в головке поршня дизеля типа РНД 90 от давления газов                                            (напряжение вдоль ребер)

Поршневые кольца. Надежная работа кольца зависит от его формы и упругих свойств. Считается, что нормальный срок службы кольца должен быть не менее 10000 ч, при этом кольцо изнашивается по толщине на 10—15%.

Исследования  шведской фирмы Дарос  показали, что эпюра давлений на работающее кольцо в цилиндре имеет  вид, изображенный  на рис. 13.  В результате кольца стали  изготавливать с так называемой отрицательной овальностью.

  Зазор между  кольцом и канавкой должен быть таким, чтобы при работе двигателя, когда  поршень деформируется, кольцо не оказалось  зажатым. У двигателей с диаметрами цилиндров 500— 800 мм зазор не менее 0,3 мм, при диаметре свыше 800 мм—не менее 0,35 мм. В  новой конструкции головки поршня фирма Зульцер увеличила величину зазора (табл. 3)..

При нормальной работе кольца на его нижней поверхности  появляются блестящие следы наклепа, а при зажатии в канавке

Таблица  3.

 Зазор  s между поршневым кольцом и канавкой для новой и старой головок