ПРОВЕРКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ

СУДОВЫХ ДИЗЕЛеЙ

Важнейшими техническими средствами (СТС) дизельной энергетической установки являются главный двигатель (ГД), дизель-генераторы (ДГ). Повреждение любого из них всегда отражается на безопасности всего судна, а устранение их последствий связано с большими материальными затратами.

Для предупреждения повреждения дизелей применяется аварийно-предупредительная сигнализация (АПС) и защита по нескольким наиболее важным параметрам (показателям).

Разнос – самое быстротечное, внезапное и самое разрушительное повреждение дизеля. Не менее опасным является и падение давления ниже допустимого предела в циркуляционной масляной системе двигателя.

Разнос – стремительное самопроизвольное увеличение частоты вращения дизеля, вследствие чего многократно возрастают силы инерции его возвратно- поступательно движущихся деталей. В конечном итоге силы инерции, суммируясь с действующими силами в цилиндрах, приводят в повреждению двигателя вплоть до его полного разрушения.

Разнос вызывается одним из вариантов неуправляемого процесса горения в цилиндрах – увеличением подачи топлива при неизменной или уменьшившейся нагрузке потребителя.

Процессом горения в цилиндрах управляет регулятор частоты вращения, через топливную рейку воздействуя на топливные насосы высокого давления.

В технической литературе и нормативных документах принято считать, что единственной причиной разноса является неожиданный, несанкционированный сброс нагрузки, на который регулятор не успевает отреагировать, вследствие чего происходит резкое увеличение оборотов. Спасти двигатель в такой ситуации можно, лишь остановив его. А остановка осуществляется дополнительным устройством, которое называется предельным выключателем.

По требованию Российского Морского Регистра судоходства [1] на каждый главный двигатель мощностью 220 кВт, который может быть разобщен с валопроводом или работает на винт регулируемого шага (ВРШ), и на каждый приводной двигатель ДГ мощностью более 220 кВт должен устанавливаться независимо от регулятора предельный выключатель. Предельные выключатели должны останавливать ГД при достижении ими частоты вращения 20 % выше расчетной, а дизель-генераторы – при частоте вращения 15 % выше расчетной.

Следует обратить внимание на то обстоятельство, что фактически существует не одна, а несколько причин, вызывающих разносы двигателей. Предельные выключатели, несомненно, необходимы для защиты двигателей, но спасти их от повреждения они могут не всегда [12].

Безупречная работа подшипников двигателя и, прежде всего подшипников коленчатого вала, обеспечивается замкнутой системой циркуляционной смазки. А проток масла через подшипники возможен только при создании в системе определенного давления. Прекращение подачи масла к подшипникам или падение его давления ниже допустимого значения приводят к выплавлению подшипников и задиру шеек валов, что равносильно аварии двигателя.

Вызывают прекращение подачи масла или уменьшение его давления остановка масляных насосов, разрыв маслопровода, упуск масла из циркуляционной цистерны, уменьшение вязкости масла, увеличение зазоров в подшипниках, закупорка подводящих отверстий и т. п. Многочисленность причин и непредвиденность момента их возникновения заставляют прибегнуть к универсальному средству защиты двигателя – к его остановке (п.2.11.9 [1]), (п.1.4 [13]).

В принципе защитное устройство по любому из параметров любого технического средства одинаково. Оно состоит из трех элементов – датчика, усилителя (усилителя-преобразователя) и исполнительного органа. Схема комплекса защиты показана на см. рис. 9.

Принцип действия и конкретное конструктивное исполнение каждого элемента зависит от той роли, которую он выполняет в защитном комплексе.

Разнообразие конструкций датчиков определяется тем, что они получают импульсы по разным параметрам.

Датчик предельного выключателя представляет собой шток, заподлицо утопленный во вращающееся колесо. При достижении предельно допустимой частоты вращения шток под действием центробежной силы преодолевает усилие удерживающей его пружины, выступая за пределы наружной поверхности колеса, и передает свое воздействие на расположенный рядом боек усилителя.

импульс

Рис. 9. Схема комплекса защиты

В качестве датчиков давления чаще всего применяются реле давления. Чувствительный элемент реле в виде мембраны или сильфона под действием изменяющегося давления рабочей среды замыкает или размыкает контакты электрической цепи. Срабатывание реле давления масла происходит при минимально допустимом его давлении. При этом электрический импульс поступает в усилитель или преобразователь-усилитель.

Усилители увеличивают выходной импульс датчика до величины, необходимой для срабатывания исполнительного органа защитного устройства. В качестве усилителя предельного выключателя чаще всего применяется усилие сжатой пружины. При ударе штока о боек усилителя последний расцепляет удерживающее устройство, и пружина, разжимаясь, через систему рычагов и тяг воздействует на устройство, останавливающее двигатель.

Усилителями в защитном устройстве по давлению масла являются электромагнитные клапана. Для двигателей небольшой мощности сила тока увеличивается до такого значения, при котором электромагнитный клапан может играть роль исполнителя. В мощных двигателях электромагнитные клапаны играют роль усилителей-преобразователей, открывая доступ рабочего тела (воздуха или масла) в исполнительные органы – пневматические или гидравлические сервомоторы.

При максимально допустимой частоте вращения и при минимально допустимом давлении масла исполнительные органы защитных устройств воздействуют на те элементы объекта (двигателя), которые его останавливают. Остановить двигатель в таких ситуациях можно двумя способами – прекращением подачи топлива в цилиндры одновременно всеми ТНВД или перекрытием подвода воздуха в продувочный ресивер. Первый способ достигается установкой топливной рейки в положение нулевой подачи всех ТНВД или подъемом толкателей всех ТНВД в верхнее положение. Поступление воздуха в цилиндры прекращается при закрытии специальной заслонки, установленной на входе в компрессор газотурбонагнетателя или в продувочный ресивер.

От работоспособности рассматриваемых защитных устройств, как уже указывалось, зависит безопасность не только важнейших СТС машинного отделения, но порой и всего судна.

Правилами классификационных обществ и другими нормативными документами к надежности комплексных систем сигнализации (АПС) и защиты предъявляются очень жесткие требования. Они должны надежно работать в следующих условиях: при температуре наружного воздуха до 60 °С и его влажности до 95 %, при наклонах в любую сторону до 45° в течение 5–20 секунд и до 30° – длительно, выдерживать тряску до 120 ударов/мин и вибрацию с максимальным ускорением до 30 м/c², при отклонениях напряжения электропитания от +10 % до – 15 % номинального, быть устойчивы к влиянию внешнего магнитного поля напряженностью 400 А/М.

Средняя наработка на отказ по каждому контролируемому параметру должна быть не менее 100000 часов или циклов срабатывания. Ресурс непрерывной работы каждого защитного устройства должен составлять не менее 5000 часов или 5000 циклов срабатывания. Средний срок до списания комплекта защитного устройства устанавливается в 12 лет [13].

Жесткость указанных требований и необходима и оправдана с точки зрения безопасности СТС и судна в целом. Фактически же защитные устройства не всегда и не везде отвечают предъявляемым к ним требованиям. Опыт эксплуатации судов показывает, что у защитных устройств гораздо чаще случаются несрабатывания, выходы из строя и поломки, чем это регламентировано правилами и стандартами.

Объясняется это еще и тем, что члены машинных команд, полагаясь на провозглашаемую повышенную надежность защитных устройств, уделяют недостаточное внимание их обслуживанию, и в частности, проверкам их работоспособности. Статистика свидетельствует о том, что большая часть повреждений СТС происходит по вине экипажей. Самым грубым нарушением является отключение по халатности, небрежности или забывчивости защитных устройств на функционирующих СТС. Вторая часть нарушений связана с формальной проверкой работоспособности защитных средств из-за отсутствия на судах четкой документации по этому вопросу.

Судовые специалисты привыкли к тому, что все необходимые сведения по эксплуатации можно почерпнуть из инструкций соответствующих СТС. А специальной проверкой более 30 инструкций по эксплуатации разных типов ГД, ДГ установлено, что в абсолютном большинстве из них нет даже упоминания о каких-либо проверках средств автоматизации (хотя средства эти, в том числе и защита, имелись). Не упоминается ничего по проверкам в инструкциях даже таких современных двигателей, как L42MC и L50MC. Общие фразы о проверке средств автоматизации СТС имеются в инструкциях японских двигателей. И лишь в двух инструкциях встретились более-менее четкие указания по способам и срокам проверки защитных устройств. Можно с уверенностью сказать, что в целом по флоту картина с инструкциями примерно такая же.

Проверка знаний механиков в морской квалификационной комиссии (МКК) и в комиссии ОАО ДВМП показывает, что часть механиков, понимая значение защит, все-таки проверяет их работоспособность, но, полагаясь в основном на свою интуицию. Выяснилось, например, что проверки производятся чаще всего путем имитации срабатывания отдельных элементов защитного комплекса (датчиков или исполнительных органов). Так, проверку срабатывания предельного выключателя выполняют на неработающем двигателе, вручную освобождая пружину, которая через кинематическую связь воздействует на топливную рейку. Защиту по минимальному давлению масла ДГ проверяют, отдавая подводящую трубку к реле давления на работающем двигателе (что неудобно и опасно выполнять) или отмечая давление масла при остановке двигателя.

Проверка работоспособности отдельных элементов защитных комплексов, конечно, необходима и в судовых условиях может выполняться только одним способом – путем имитации. Но даже правильная раздельная проверка датчиков, усилителей и исполнительных органов вовсе не гарантирует работоспособности всего комплекса. Связи между нормально функционирующими элементами могут оказаться прерванными (коррозия деталей, залипание контактов, перекосы тяг и т. п.), и в нужный момент защитное устройство как комплекс не сработает. Проверка отдельных элементов защитных устройств, как видим, создает лишь иллюзию благополучия.

Уверенность в действительной работоспособности всего защитного устройства дает только проверка его на работающем СТС при аварийном значении контролируемого параметра.

«Аварийное значение контролируемого параметра – это значение параметра, при котором не допускается дальнейшая работа двигателя (сопровождается появлением аварийного сигнала и осуществлением аварийной защиты двигателя)» [13].

Такая нечетная формулировка аварийного параметра пугает и дезинформирует судовых механиков и не только их. Аварийный параметр согласно формулировке воспринимается как параметр, при котором уже происходит повреждение, авария технического средства, и, следовательно, становится невозможным при таком его значении и проверка всего комплекса защитного устройства.

А в действительности дело обстоит совсем иначе. При разносах двигателей остаточные деформации движущихся деталей (т. е начало их повреждения) наступает при частоте вращения, превышающей ее номинальное значение на 40–50 %. А по правилам классификационных обществ аварийным параметром для данного случая устанавливается частота на 20 % и 15 % выше номинального значения соответственно для ГД и ДГ.

Для большинства двигателей ДГ (с частотой вращения 500–750 об/мин) давление масла в циркуляционных системах составляет 0,2–0,25 МПа. За аварийный параметр принимается давление в 0,15–0,18 МПа, а повреждения подшипников коленвала происходят (по материалам расследования повреждения двигателей в ОАО ДВМП) только при давлениях ниже 0,13 МПа.

Таким образом, срабатывание защитного устройства при аварийном значении параметра означает не аварию СТС, а именно его защиту от аварии. И проверка срабатывания защит должна проводиться только при аварийных значениях параметров. На это четко указывается и в [14]: «Предельные выключатели двигателей… должны быть проверены на срабатывание при предельной частоте вращения».

Для проверки срабатывания предельного выключателя необходимо искусственно довести двигатель (разогнать его) до предельной (аварийной) частоты вращения. Достичь этого можно искусственным увеличением подачи топлива в полностью разгруженный двигатель при помощи регулятора. Согласно требований основных классификационных обществ каждый регулятор должен иметь устройство для местного и дистанционного изменения частоты вращения как в сторону ее уменьшения, так и в сторону увеличения (относительно номинального значения). При ручном увеличении сжатия задающей пружины регулятора грузы сходятся, а выходной его орган передвигает рейку ТНВД на увеличение подачи топлива.

Данная проверка связана с большим риском вызвать искусственное повреждение двигателя и даже его разнос. Объясняется это следующим образом. Для достижения аварийной частоты вращения топливная рейка уводится в положение увеличенной (иногда почти максимальной) подачи топлива всеми ТНВД, вследствие чего привод одной или нескольких плунжерных пар ТНВД может заклиниться [12]. В такой ситуации при несрабатывании предельного выключателя остановить двигатель ни топливно-пусковой рукояткой, ни ослаблением затяга пружины регулятора не удастся. Длительная работа двигателя на аварийной частоте вращения может привести к срыву масляных клиньев и повреждению подшипников коленвала, а при стечении и других неблагоприятных обстоятельств, двигатель может пойти в разнос.

К проверке работоспособности предельного выключателя, учитывая вышеизложенное, необходимо тщательно подготовиться. Прежде всего, необходимо проверить и отрегулировать нулевую подачу каждого ТНВД и всего комплекса управления подачей топлива, после чего убедиться в легкости хода топливной рейки и надежности ее соединения с регулятором и топливно-пусковой рукояткой. Кроме того, надо будет проверить правильность и надежность соединения ТНВД с топливной рейкой, а при необходимости очистить зубчатые рейки от грязи и смолистых отложений. У регулятора ручным способом проверяется легкость хода устройства изменения натяжения задающей пружины (в пределах допускаемого диапазона сжатия-ослабления пружины). Не помешает произвести проверку всей кинематической связи защитного устройства от датчика (подпружинного штока) до исполнительного органа (электромагнитного клапана или сервомотора). На случай экстренной остановки двигателя при проверке защиты необходимо приготовить (или изготовить) специальные накидки на приемные сетки воздуха компрессоров ГТН и вывесить их рядом с ГТН. Все штатные приборы двигателя, в том числе и тахометр, должны быть заранее проверены и должны иметь соответствующие отметки и клейма.

Проверку срабатывания предельных выключателей ДГ и среднеоборотных ГД, работающих на винт через разобщительное устройство, производят два человека – вахтенный механик и вахтенный моторист. Двигатель запускается на холостой ход и прогревается до соответствующих температур масла и охлаждающей воды. При необходимости производится регулировка частоты вращения на номинальное значение.

Вахтенный механик становится у поста управления и берет в руку топливно-пусковую рукоятку (на случай экстренной остановки двигателя) и ведет наблюдение за показаниями тахометра. Моторист, находясь в районе расположения регулятора, вручную маховиком медленно производит сжатие его задающей пружины, вследствие чего обороты двигателя медленно возрастают. При достижении предельной частоты вращения (отмечено красной чертой на тахометре) выключатель должен сработать и, воздействуя на топливную рейку или воздушную заслонку, остановить двигатель. Если этого не произойдет, вахтенный механик обязан немедленно поставить топливно-пусковую рукоятку в положение «стоп», а моторист должен повернуть маховик регулятора на несколько оборотов в обратном направлении для ослабления затяга пружины. Если же двигатель и после этих действий не останавливается, то необходимо на приемную сетку воздуха ГТН быстро наложить специальную накладку. Горение топлива в цилиндрах без воздуха не может продолжаться и, двигатель остановится.

Не следует сразу же предпринимать новой попытки срабатывания предельного выключателя. Прежде надо будет определить причину несрабатывания защиты, устранить неисправность и только после этого предпринять новую проверку с еще большей осторожностью.

Для проверки работоспособности предельного выключателя главного малооборотного двигателя, соединенного с винтом регулируемого шага (ВРШ), необходимо отключить комбинаторную систему, а шаг винта установить в нулевое положение. Дальнейшие действия предпринимать в такой же последовательности, как и для ДГ и среднеоборотных ГД. Проверку можно производить при стоянке судна у причала при условии полной уверенности в том, что нулевое положение лопастей винта на указателе действительно совпадает с фактическим их положением. Но лучше всего эту проверку выполнить при якорной стоянке на рейде или в море после выхода судна из порта.

Давление масла в циркуляционных системах практически всех ДГ создается навешенными шестеренчатыми насосами. Регулирование давления на стороне нагнетания насоса (т. е. в рабочей части системы) осуществляется редукционным клапаном, встроенным в корпус насоса, который перепускает масло из его нагнетательной полости во всасывающую. Изменением зажатия пружины редукционного клапана можно вручную устанавливать в системе требуемое давление. На системах большинства ДГ имеются дополнительные редукционные клапана в местах отвода масла от основной магистрали на смазку регулятора, приводных шестерен и других узлов двигателя. Этими клапанами также можно регулировать давление в основной магистрали.

Смазка на ходу некоторых среднеоборотных ГД осуществляется навешенными насосами, а на маневрах – автономными шестеренчатыми.

Смазка малооборотных ГД и некоторой части среднеоборотных ГД производится автономными винтовыми насосами.

Для контроля за давлением используются штатные проверенные манометры, расположенные у местного поста управления двигателем. На циферблатах манометров должны быть нанесены отметки нормального (рабочего) и минимально допустимого (аварийного) значения и клейма проверяющих организаций. Проверку защиты по минимальному давлению масла ДГ так же, как и при предыдущей проверке, проводят два человека. Один находится у поста управления для наблюдения за давлением масла, второй – у редукционного клапана. После запуска двигателя на холостой ход и прогрева давление масла устанавливается (редукционным клапаном) точно на рабочее значение. Постепенным уменьшением сжатия пружины редукционного клапана давление в системе медленно понижается. При достижении аварийного значения давления защитное устройство должно сработать и остановить двигатель. Если же защита не сработает, то специалист, находящийся у поста управления, должен немедленно установить топливно-пусковую рукоятку в положение «стоп», а второй человек – быстро зажать на несколько оборотов пружину редукционного клапана. Повторную проверку можно будет проводить только после выявления и устранения неисправности защитного устройства.

Проверку защит двигателей с автономными масляными насосами можно проводить путем имитации. Для этого при неработающем двигателе запускается масляный насос, а температура и давление масла доводятся до номинальных значений. Топливно-пусковая рукоятка (а вместе с ней и топливная рейка) устанавливается в положение максимальной подачи топлива. Насос останавливается, давление масла падает, при соответствующем его значении защита срабатывает и уводит топливную рейку в положение нулевой подачи. Момент срабатывания защиты определяется визуально по манометру и движению топливной рейки.

Четких сроков проверки защит дизелей ни Российский Морской Регистр судоходства, ни пролонгированный ГОСТ 11928–83 не устанавливают. Регистр требует лишь минимальное количество проверок – один раз в году при ежегодном освидетельствовании. В ГОСТе записано, что «…периодичность проверок систем сигнализаций и защиты устанавливают в инструкции по эксплуатации двигателей». Но, как было показано выше, в подавляющем большинстве инструкции о сроках речи вообще не ведется. Поэтому, логичным будет считать, чтобы сроки устанавливались техническими службами судоходных компаний, исходя из назначения и конкретных условий эксплуатации дизелей. Сроки проверки защит, предлагаемые в данной работе, могут носить лишь рекомендательный характер.

Для ДГ, у которых чаще, чем у ГД, случаются повреждения, и проверки необходимо проводить чаще. Памятуя о том, что повреждения случаются не на стоянке, а при работе двигателя, проверки необходимо производить ни перед остановкой двигателя, а перед запуском на продолжительную работу. Проверку срабатывания предельных выключателей ДГ желательно проводить не реже одного раза в квартал, а ГД – перед каждым выходом в длительный рейс. Проверки защит ДГ по минимальному давлению масла рекомендуется выполнять перед каждым запуском после продолжительной стоянки (7–10 суток).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ваншейдт, В. А. Конструирование и расчеты прочности судовых дизелей / В. А. Ваншейдт. – Л: Судостроение, 1969. – 640 с.

2. Шишкин, В. А. Анализ неисправностей и предотвращение повреждений судовых дизелей / В. А. Шишкин. – М: Транспорт, 1986. – 192 с.

3. Дайхес, М. А. Ремонт двигателей внутреннего сгорания / М. А. Дайхес. – Л: Судостроение, 1980. – 248 с.

4. ПТЭ судовых дизелей. – М: Морской транспорт, 1962. – 200 с.

5. Балякин, О. К. Технология и организация судоремонта / О. К. Балякин. – М: Транспорт, 1974. – 352 с.

6. Кончаев, В. Н. Ремонт судовых дизелей / В. И. Кончаев, В. М. Шелученко. – М: Транспорт, 1965. – 390 с.

7. Русинов, Р. В. Топливная аппаратура судовых дизелей / Р. В. Русинов. – Л: Судостроение, 1974. – 223 с.

8. Гальперович, Л. Г. Системы впрыска топлива судовых дизелей / Л. Г. Гальперович. – Л: Судпромгиз, 1961. – 222 с.

9. Фомин, Ю. Я. Топливная аппаратура судовых дизелей / Ю. Я. Фомин. – М: Транспорт, 1975. – 216 с.

10. Маренков, Н. А. Ремонт механизмов без вывода судна из эксплуатации / Н.А. Маренков. – Л: Транспорт, 1965. – 271 с.

11. Российский морской Регистр судоходства. Правила классификации и постройки морских судов. Т.2. – СПб.: РМРС, 2005. – 638 с.

12. Подушкин, С. Н. Техническое использование судовых дизелей. Учебное пособие / С. Н. Подушкин. – Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2005. – 62 с.

13. Дизели и газовые двигатели. Автоматизированные системы аварийно-предупредительной сигнализации и защиты. Общие технические требования. ГОСТ 11928 – 83. – М: Изд-во стандартов , 1984. – 13 с.

14. Российский морской Регистр судоходства. Руководство по техническому надзору за судами в эксплуатации. – СПб.: РМРС, 2000. – 258 с.

15. Крылов, Е. И. Надежность судовых дизелей / Е. И. Крылов. – М: Транспорт, 1978. – 160 с.

16. Марденский, В. П. Топливная аппаратура судовых дизелей / В. П. Марденский. – М: Транспорт, 1973. – 168 с.

17. ПТЭ судовых технических средств и конструкций. РД 31.21.30 – 97. – М: В/О «Мортехинформреклама», 1997. – 343 с.

18. Форсунки дизелей. Общие технические условия. ГОСТ 10579 – 82. – М: Изд-во стандартов, 1982. – 5 c.

ОГЛАВЛЕНИЕ

От автора …………………………………………………………………………3

Введение …………………..……………………………………………………..4

Раскепы коленчатых валов судовых дизелей………………………………….4

Центровка «движения» крейцкопфных двигателей…………………….........15

Восстановление работоспособности распылителей форсунок дизелей в судовых условиях.…………………………………………..………….………..23

Проверка работоспособности защитных устройств судовых дизелей.……......33

Список литературы…………………………...………..……….……………......42

Позиция № ______

в плане издания

учебной литературы

МГУ на 2007 г.

Учебное издание

Станислав Николаевич Подушкин