OBCIĄŻENIA CIEPLNE Związane są ze strumieniem ciepła występującym w danym elemencie lub urządzeniu, wielkość zależy od wielkości strumienia ciepła . Źródłami strumienia ciepła w silniku są: -gaz znajdujący się w przestrzeni roboczej silnika ( temper. , ciśnien. , objętość , dawka paliwa związana z ilością powietrza tzn. im bardziej doładowany tym bardziej obciążony). Strumień ciepła związany z wymianą ciepła między gazem a komorą spalania . Sposoby wymiany przez: promieniowanie , przewodzenie , konwenkcję. W przekazywaniu ciepła gł. Rolę odgrywa różnica temperatur , która w czasie cyklu roboczego może sięgać nawet 2000K. Od ścianek cylindra należy odebrać tyle ciepła ile do niego dopływa , uzyskamy wtedy stan równowagi cieplnej i temperaturę ścianek na pewnym ustalonym poziomie .Czynniki chłodzące to : powietrze i woda. W stanie równowagi cieplnej ustala się pole temperatur , jest to funkcja przestrzenna przyporządkowująca każdemu punktowi temperaturę.
WYTRZYMALNOŚĆ CIEPLNA TWORZYW Zależą one od temperatury ( granica wytrzymałości na rozciąganie lub granica plastyczności) . Powyżej 100 0C własności te wyraźnie się obniżają ( dobieramy temper. Tworzyw w temperat. Pracy )
PROCES PRZEWODZENIA ciepła charakteryzuje się spadkiem temperatur, wprowadza to dodatkowe obciążenia w materiale ( wsp. Rozszeżalności liniowej) – dodatkowe naprężenia zginające. W temperaturze T1 są to obciążenia ściskające , a w T2 rozciągające.
ZACHOWANIE WŁASNOŚCI PŁYNÓW eksploatacyjnych stykających się ze ściankami obciążonymi cieplnie (olej, woda). Przepływ strumienia ciepła od ścianki do płynu , jeżeli temperatura płynu przekroczy pewną wartość to traci on swoje własności tzn. tak jakby go nie było. OLEJ który jest na gładzi w temperaturze ok. 2400C ulega degradacji pomimo że jest on dostarczany. WODA CHŁODZĄCA tuleję , gdy temperatura tuleji będzie wysoka to może utworzyć się kieszeń parowa ( a para gorzej odbiera ciepło)
SILNIK AGREGATOWY Denko tłoka - temperatura ok. 3000C , - grzybek zaworu wylotowego ok. – 5000C , zawór dolotowy ok. – 3900C , - głowica ok. 2200C , - tuleja cylindrowa ok. 230>150>1000C im bardziej w dół tuleji. RTA temperatura przylgni ok. 3500C , temper gniazda ok. 2600C , temper grzybka ok. 4550C ( AT25 temp ok. 4200C , AT25R z rotokapem ok. 3720C)
TŁOKI AS25 i AT25 , 200kW/cylind i obroty 1000 obr/ min środek denka 2400C (2580C) , - skraj denka 3300C ( 3110C) , - ścianki pierwszego pierścienia uszczelniającego 1620C ( 1380C) w starych silnikach olej może unieruchomić pierścień . Do tworzenia wykresów pól temperatur dla układów przestrzennych używamy metody elementów skończonych. Tłok ulega odkształceniom pod wpływem pola temperatur , dlatego możemy wyznaczyć kształt tłoka w stanie zimnym , aby po rozgrzaniu miał odpowiednią postać .
TULEJA CYLINDROWA typ AT25 – w GMP ma w okolicy 1 pierścienia uszczelniającego ok. 160 a na samej górze ok. 2600C , typ Z WYSOKIM KOŁNIERZEM – w GMP w okolicy 1 pierścienia ma ok. 1450C a w okolicy denka tłoka ma 1650C.
NAPRĘŻENIA WYNIKAJĄCE Z PÓL TEMPERATUROWYCH
dc= a0DTE / 2(1-s) gdzie E – moduł Younga , a- wsp. Przewodności cieplnej , s- liczba Poisona DT = q * q/ l [J/m2]
ZATRZYMANIE: elementy na zewnątrz stygną szybciej niż wewnątrz dlatego trzeba podtrzymać pracę układu olejenia (chłodzenie denka tłoka i układu chłodzenia) STAN POWIERZCHNI biorących udział w wymianie ciepła (od strony czynnika chłodzącego). Mogą się pokrywać warstwą kamienia kotłowego (chłodzenie wodne) olej zaś tworzy osady i nagary. Za wysokie temperatury ścianek od strony spalin może spowodować rozkład termiczny oleju i brak smarowania . Mniejsza różnica temperatur na ściance jest korzystna bo i są mniejsze obciąż cieplne.
WYRÓWNOWAŻANIE : Siły pochodzące od sanek wodzika wywołują : - moment typu H powodujący obrót silnika wokół osi pionowej i kładący go na lewą lub prawą burtę, - moment typu X stara się skręcić silnik w jego płaszczyźnie poziomej. Są to momenty zmieniające się cyklicznie więc może się pojawić zjawisko rezonansu . Moment typu H ma relatywnie dużą wartość . Górna część silnika może być połączona wspornikami z poszyciem statku aby ten moment zlikwidować ( mogą występować przesunięcia do kilkunastu cm.
Statek też ma swoją częstotliwość drgań własnych i jest traktowany jako belka (długość większa od wymiarów poprzecznych). Częstotliwość drgań własnych 1 postaci dla obecnie budowanych statków wynosi od 3 do 4 Hz. Momenty od sił bezwładności 2-go i 1-go rzędu są położone dziób – rufa. Pr. Obr . silnika 1-3Hz więc moment od sił bezwładności 2-go rzędu 2-6Hz , wchodzi w rezonans z częstotliwością drgań własnych kadłuba –może ulec zniszczeniu kadłub.
RÓWNOWARZENIE SKŁADOWEJ POZIOMEJ OD SIL BEZWŁADNOŚCI 1-go rzędu stosuje się przeciw ciężar na tylnym końcu wału korbowego od strony rufy , dodatkowo napędzany od przekładni wału korbowego.
MOMENTY BEZWŁADNOŚCI OD SIŁ 2-GO RZĘDU
1. Dwa przeciwciężary obracające się na osobnych wałach , obracają się one w przeciwną stronę , są umieszczone od strony rufy a napęd jest przy pomocy łańcucha. Trudno jest wyznaczyć węzeł drgań , więc masy wyznacza się eksperymentalnie w trakcie prób morskich.
2. Dwie masy : 1 umieszcza się na przednim , 1 na tylnim końcu wału.
3. Specjalny silnik elektryczny (krokowy) nadążający za wałem korbowym w pomieszczeniu maszyny sterowej z ciężarem na wale. Jest to rozwiązanie korzystne bo łatwiejsze , prostsze w budowie , WADA: awaria w pracy silnika krokowego.
Momenty typu X i H działające na sanki wodzika i prowadnice , nie ma sposobu na ich równoważenie i muszą być przejmowane przez konstrukcję silnika i kadłuba.
NIEBEZPIECZEŃSTWO REZONANSU minimalizuje się go przez pręt (dzielony z połączeniem na zakładkę z luzem który wytwarza siłę tarcia i możliwość przesunięcia) przymocowany do kadłuba i poszycia statku . Siła tarcia wytwarza energię tarcia która kompensuje energię mechaniczną przy rezonansie.
DRGANIA WZDŁUŻNE WAŁU KORBOWEGO (sprzęgło przesuwa się w kierunku wzdłużnym ) dotyczy to silników długoskokowych . stosuje się tłumiki drgań wzdłużnych – do korpusu ostatniego łożyska głównego przytwierdza się obejmę z tarczą , jest między nimi niewielki luz. Obejma nie pozwala na ruch tarczy , gdy amplituda drgań wzdłużnych jest zbyt mała .
SILNIK DWUPALIWOW pracuje on na dwóch paliwach różniące się stanem skupienia (paliwo ciekłe i gazowe) . Statki towarowe do przewozu paliw gazowych skroplonych , gaz ten częściowo paruje w zbiornikach i dlatego zwiększa się w nich ciśnienie dlatego trzeba go spalić 1. Silnik o zapłonie iskrowym (ograniczony przedział mocy i gabarytów) 2. Silnik dwupaliwowy (paliwo ciężkie i gaz)
GAZ ZIEMNY (LNG) – Wd = 33,2- 35,56 MJ/m3 , e = 0,7- 0,778 kg/m3 , LO= 85- 125 , CH4= 85-98% , C2H6= 0,3-6,10% , C3H8= 0,11- 1,70% , C4H10= 0,06- 0,80% , C5H12= 0,04- 0,77% , N2= 0,10- 5% , H2=0-0,17% . CECHĄ SPALANIA MIESZANIN GAZOWO – POWIETRZNYCH jest zależność prędkości płomienia od jakości mieszaniny palnej . Dla pewnych l płomień nie będzie się rozpowszechniał , sterując dawką paliwa trzeba sterować też dawką powietrza , ma to wpływ na konstrukcję silnika : możliwość wystąpienia spalania stukowego , mieszanina ma zbyt dużą temperaturę , płomień rozchodzi się ogromną prędkością ok. 1000m/s. Jest duża hałaśliwość i obciążenie silnika ( przyspieszone zużycie lub zniszczenie elementów konstrukcyjnych silnika) Wprowadza się mniejsze stopnie sprężania ale spada sprawność.
INSTALACJA ZASILAJĄCA W GAZ NISKOCIŚNIENIOWA (dla silników 4suwowych) Gaz przechodzi przez GŁ zawór zasilający do płuczek dalej przez zawory odcinające do zdalnie sterowanych zaworów regulacyjnych , które utrzymują stałe ciśnienie w instalacji. Dalej gaz idzie do przepływomierza z zaworem bezpieczeństwa (0,35Mpa) i dalej do zbiornika wyrównawczego (0,75dm3/kW i 1,5dm3/kW) dalej przez zawór odcinający do zaworu dławiącego (pg=0,35i0,24Mpa)do zaworu sterującego ilością gazu i dalej na zawory wlotowe. Gaz musi być suchy (płuczki) zawory wlotowe mają stały kąt otwarcia , ilością gazu steruje się przez ciśnienie. Ilość gazu od razu podawana jest do cylindra , aby płomień się nie rozpowszechniał . Na zaworach dolotu powietrza są otwory z uszczelnieniem , co steruje dostarczaniem gazu i powietrza . Może wystąpić kilkustopniowe pokrycie zaworu wylotowego i gazowego.
RODZAJE PRACY SILNIKA 2PALIWOWEGO
1) praca na paliwach gazowych (+ paliwa ciekłe 4 – 5 % dawki nominalnej przy pracy na paliwie ciekłym – dawka pilotująca (stała)
2) praca na paliwie ciekłym – gdy jest za mało gazu i trzeba go zebrać.
ZASILANIE WYSOKOCIŚNIENIOWE 1. Sprężanie gazu do odpowiedniego ciśnienia (kilkanaście Mpa) Sprężarka gazu Þ przewódÞ wtryskiwacz gazowy z 1 lub kilkoma otworami.
OTWIERANIE WTRYSKIWACZA iglica ma odrębny układ otwierania pompka tłoczkowa tłoczy olej sterujący i podnosi iglicę umożliwiając dopływ gazu do cylindra (dostaje się pod pierścień i unosi iglicę) ,występują też wtryskiwacze pilotujące na paliwo ciekłe
WARTSILA w jednym korpusie 2 wtryskiwacze : gazowy i pilotujący , sterowanie paliwem gazowym również pompką tłoczkową. Zawór elektromagnetyczny steruje olejem hydraulicznym do iglicy wtryskiwacza , zawór sterowany jest elektronicznie.
SKROPLENIE PALIWA GAZOWEGO
Wymagane jest małe urządzenie kriogeniczne . Ze zbiornika gazowego paliwa ciekłego (T=-1650C i p=2 bar) dostaje się do pompki tłoczkowej i dalej do \pulsation damper\ (350bar) do podgrzewacza parownika i dalej do silnika (T=400C , p=350bar) . Sprężanie paliwa gazowego 2,5% mocy użytecznej silnika (tu 0,8%)
USZKODZENIA ELEMENTÓW SILNIKA
1.PĘKNIĘCIA ZMĘCZENIOWE - zmienne obciążenia działające na przekroje zrywają więzy między atomami w poszczeg kryształach ÞmikropęknięciaÞzmiana lokalnego rozkładu naprężeńÞspiętrzenie naprężeńÞdalszy rozwój pęknięcia. Zjawiska w skali mikro rozwijają się b. Wolno , zależy to od stopnia zmienności naprężeń i wytężenia materiału w danym przekroju. Końcowym etapem zmęczenia jest gwałtowne pęknięcie osłabionego przekroju. Przyczyna lokalnego spiętrzenia materiału są nieciągłości w budowie materiału: - gwałtowne zmiany przekroju , - błędy technologiczne , wady materiałowe przegrzanie miejscowe materiału podczas obrabiania tzw. efekt karbu . Cechy powierzchni złomów zmęczeniowych:
a) ognisko,
b) strefa przyogniskowa, c)uskoki pierwotne,
d)uskoki wtórne,
e)linie zmęczeniowe,
f)strefa przejściowa,
g)strefa resztkowa, h)kierunek obrotu
2.WYBUCHY W SKRZYNI KORBOWEJ Þduża zawartość mgły olejowej w powietrzu i lokalne wzrosty temp mieszaniny olej-powietrze pow temp zapłonu, skład mieszaniny palnej 7~ 1 , 100~1. Efektem tego jest gwałtowny wzrost ciśnienia , w normalnych warunkach pracy silnika skład mieszaniny par oleju i powietrza jest poza przedziałem palności. Jeśli pojawia się źródło ciepła : zacierający się czop łożyska , przedmuch spalin do skrzyni korbowej i trwa to dłuższy czas może dojść do wybuchu. Skrzynia korbowa ma dużo płaskich ścian , dlatego są one wyposażone w klapy bezpieczeństwa (ściany nie są liczone na wybuchy) , są to zawory grzybkowe i są ukierunkowane na podłogę . Tłumik płomienia jako siatka miedziana, po wybuchu trzeba odczekać ok. 20-30min aby bezpiecznie zajrzeć do silnika (pary oleju się skroplą). Klapy te nie chronią przed wybuchem , są też sygnalizatory firmy GRAVINER które też nie chronią przed wybuchem
3 .POŻAR W PRZELOTNI - zapalenie się pozostałości po paliwie i oleju na dolnej płycie bloku cylindrowego koło dławicy trzonu tłokowego .
ŹRÓDŁA CIEPŁA : a)dostanie się spalin pod przestrzeń podtłokową , b)przycieranie się na dławicy trzonu tłok.,
c)uszkodzony wtryskiwacz d) źle wyregul. początek wtrysku pal.,
e) niedobór powietrza przepłukującego ,
f) przydławiony wydech spalin,
g) zbyt niski stopień sprężania ,
h) za długie odpalanie, i)przeciążenie silnika , j)uszkodzone pierścienie tłokowe,
k) nadmiernie zużyta tuleja, l) złe ustawienie lub nadmierne zasilanie oleju cylindrowego.
OBJAWY POŻARU W PRZELOTNI
a) spadek mocy silnika , b)wysoka temper spalin,
c) dymienie spalin,
d) podwyższona temperatur ścianek przelotni,
e) pompowanie turbosprężarki ,
f) iskrzenie i dymienie z odwodnień przelotni. ZAPOBIEGANIE
a) częste czyszczenie przelotni,
b) gdy pożar jest mały – zmniejszyć moc silnika , zamknąć dopływ paliwa, zamknąć odwodnienia przelotni i zasobnika, zwiększyć smarowanie, - duży pożar- zatrzymać silnik , włączyć obracarkę , czynniki chłodzące muszą chłodzić , wprowadzić czynnik gaśniczy, sprawdzić stan dławicy.
4.POŻAR W KOLEKT. POWIETRZA ROZRUCH Zaolejenie powietrza rozruchowego do sprężarek, tworzy się powłoka olejowa na ściankach kolektora , jeśli wystąpi awaryjna praca zaworu rozruchowego to spaliny dostaną się do kolektora powietrza rozruchowego i rozżarzają węglowodory na ściankach co podnosi temperaturę ścianek kolektora. Środki zaradcze: czyszczenie kolektora rozruchowego, sprawdzanie zaworu rozruchowego , wprowadzanie pochłaniaczy par olejowych w powietrzu rozruchowym.
5.USZKODZENIA CIEPLNE (głowica , tłok , tuleja)
a) pęknięcia dolnej płyty głowicy , tuleji , denka tłoka , rowków pierścieniowych , grzybków zaworowych , aparatury wtryskowej. Wypalenia zaworów i denka tłoka to lejący wtryskiwacz i przewlekłe spalanie na denku tłoka .Temp.zaworu wys , to cząstki w spalinach (osady) mają zdolność przyczepiania się do zaworu (osady) wtedy zawór nie domyka się w całości (lokalnie)przepływają spaliny następuje rozmiękczenie materiału i wymywanie cząstek materiału.
6.ZATARCIA
W elementach wykazujących względny ruch w czasie pracy , wymagany jest do tego luz uwzględniający zmianę temperatury . Jeśli luz będzie mały czynnik smarujący zostanie wyparty , rośnie wsp. tarcia , praca tarcia i ciepło tarcia. Element ruchomy rozszerza się szybciej, tarcie się zwiększa jeszcze bardziej , element zostaje unieruchomiony. Temp. Może przekroczyć temp topnienia, elementy mogą się zgrzewać, mogą się podwieszać (przy napędzie krzywkowym) , w ukł. korb element może ulec zniszczeniu.
7.KOROZJA niezamierzone niszczenie metali w wyniku chem lub elektro-chem reakcji z otaczającym środowisku. W metalu pojawiają się nowe związki mające gorsze własności trybologiczne. Wykluczają się one, pękają , pogarszają własności powierzchni , grubość materiału, zwiększają naprężenia przekrojach niebezpiecznych.
ŹRÓDŁA KOROZJI prowadzą do :
a) korozji siarkowej (nisko temperaturowej) ,
b) korozji wanadowej (wysoko temp),
c) korozji gazowej (korodujące działanie O2 , CO2 , H2) .
Ad.a SIARKOWA
wynika z działania produktów utleniania siarki występujących w paliwie. SO2 i SO3 występują w cylindrze silnika w stanie gazowym , przy obecności wody tworzą cząstki H2SO3 i H2SO4 , kwasy występujące w stanie cieplnym (zależnie od temperatury). Jeżeli w temper nasycenia wystąpi odbiór ciepła (chłodzenie) to skraplają się tworząc stężony kwas. Pod wpływem sił ciężkości , odśrodkowych , lepkości trafiają na ścianki powodując korozję chemicz metali. Temperatura nasycenia zależy od stężenia w spalinach. S wzrasta to wtedy SO2 i SO3 wzrasta i wtedy temperatura nasycenia wzrasta. Zależność temperatury punktu rosy spalin od zawartości siarki w paliwie. Kwas siarkowy i tlenki siarki w powietrzu nas nie obchodzą. Jeżeli temperatura będzie poniżej punktu rosy to kwas ulegnie skropleniu. Dlatego elementy tulei są mniej intensywnie chłodzone, aby nie doprowadzić do przechłodzenia. Olej cylindrowy ma taż odpowiednio wysoki TBN.
S + O2 ® SO2,
2 SO2 +O2 ®2 SO3 ,
SO3 + H2O ® H2SO4 .
Ad.b WANADOWA
WANAD W PALIWIE 200 ¸ 300 ppm.
4 V +3 O2 ® 2 V2O3,
V2O3 + O2 ®V2O5
W KOMORZE SPALANIA . 4Fe+3V2O5®2Fe2O3+3V2O3 Fe2O3+V2O5®2FeVO4 WANADIAN ŻELAZA,
2FeVO4+3Fe®V2O3+5FeO. V2O5 w obecności sodu w temperaturze między SiL ma zdolność do osadzania się na grzybkach zaworowych (wypalanie się elementów, korozja wysoko temperaturowa),przy 30% Na do V temper topnienia tej mieszaniny wynosi 3000C
Ad.c GAZOWA
– korozyjne działanie tlenu . W przestrzeni gdzie płynie woda jest zagrożenie dla tuleji cylindrowej ( głowica, kadłub, są przewymiarowane. W wodzie rozpuszczają się gazy tym lepiej im niższa jest temperatura . Przy wzroście temperatury tworzą się pęcherze gazu (tlen w postaci atomowej jest bardzo groźny), para też się może rozkładać na tlen i wodór dlatego odgazowujemy instalację.
ŚRODKI ZAPOBIEGAWCZE :
1) alkalizacja wody (soda kaustyczna podnosi pH do 10) ,
2) olej emulgujący (cienka warstwa ochronna na powierzchniach chronionych – bakterie reagują z olejem tworząc zawiesiny gąbczaste i utrudniają chłodzenie) 3) inhibitory anodowe – tłumienie aktywności korozyjnej w okolicach anody i przerywają łańcuch korozji np.: azotyn sodowy .
8. KAWITACJA – występuje przy przepływach cieczy przy omywaniu elementów metalowych i powoduje wykruszenie tych elementów , towarzysza jej silne drgania omywanej przez płyn powierzchni . Pojawia się próżnia i pary cieczy wypełniają tę przestrzeń . Pary się chłodzą od ścianki i ciecz wywiera nacisk na ściankę ok. 1000 Mpa , a powierzchnia ulega zniszczeniu , wykruszeniu , pogorszenie jakości powierzchni , osłabienie przekroju, (panwie łożysk ślizgowych , tłoczki pomp wtrysk , tuleja cylindrowa.
9.EROZJA - stopniowe wymuszanie cząstek przez siły tarcia powstające przy omywaniu cieczy, szczeg. gdy siły między cząsteczkami są słabe ( przelew w pompach wtrysk na końcu tłoczenia)
10. FRETTING
erozja cierna , tarcie między 2-ma elementami które pracują spoczynkowo ,oraz oddziaływania zewn. o charakterze stycznym . Pojawiają się lokalne przemieszczenia elementów względem siebie. Tarcie powoduje stopienie materiału a oddziaływanie styczne niszczy to spojenie. Gdy siła styczna jest większa od siły tarcia pojawi się przemieszczenie w mikroobszarze , pojawi się stopienie elementów , pojawi się efekt cykliczny i spojenie zostanie zniszczone a powierzchnia obu elementów zostanie zdeformowana (zewn powierzchnia panwi cienkościennych)
DIAGNOSTYKA – zespół czynności określających stan techniczny bez demontażu z zachowaniem normalnych warunków pracy silnika , informacje określając stan techniczny :
1.Z pomiaru mocy użytecznej 2. Z pomiaru zużycia paliwa , 3. Z indykowania silnika
marcin0732