🔥ВВЕДЕНИЕ
Последние несколько лет компания МАН не выпускала серьезных модификаций модельных рядов своих двигателей. Рынок лихорадочно колбасило "зеленой повесткой" и постоянно и непредсказуемо изменяющейся ценой на нефть, а это не самый хороший момент для выпуска на рынок чего-то нового. Это и понятно, инженерам нужно поставить четкое техническое задание.
На протяжении долгих лет двигатели MAN B&W К80MC-C и MAN B&W K98MC/MC-C удовлетворяли потребности мирового флота и устанавливались в основном на контейнеровозы средней и большой вместимости. Версии были как классическими, так и с электронным управлением.
На крупный танкерный и балкерный флот поставлялись S80MC-C и S90MC-C, что также полностью покрывали потребность рынка.
Да, все упомянутые выше двигатели являются "рабочими лошадками" и изобретать что-то новое просто нет смысла. Но современный флот продолжает требовать еще бОльших мощностей, а, следовательно, конструкторы продолжат раскрывать потенциал наработок 50-ти летней давности, превращая их в энергоёмкие, надежные и современные машины.
В этом материале я расскажу как происходило превращение классических конструкций с запредельным запасом прочности в машины с оптимальным соотношением мощность-масса-цена. Естественно, что модификация подразумевает и полный переход на электронное управление.
🔥ПРЕИМУЩЕСТВА МОДИФИЦИРОВАННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
- низкий удельных расход топлива и оптимальные параметры рабочего цикла, что стало возможно с приходом точного электронного управления
- оптимальное давление впрыска топлива и характеристика впрыска топлива (зависимость давления впрыска от угла поворота коленчатого вала)
- низкий уровень выбросов NOx и бездымная работа на любых режимах (даже маневренных)
- сбалансированная работа двигателя и равномерно распределенная между цилиндрами тепловая нагрузка
- лучшие характеристики ускорения на оба хода (вперед и назад), оптимизированная функция аварийного реверса
- увеличенные периоды между обслуживаниями двигателя в целом и его элементов
- возможность длительной работы на маневренных режимах, включая "самый малый"
- полностью интегрированная система смазки "Альфа лубрикатор", сниженный расход цилиндрового масла
- сниженный вес двигателя в сравнении с аналоговой классической версией
🔥ЦЕЛИМСЯ В РЫНОК
Двигатели MAN B&W K90MC/MC-C, запущенные в серию в 1980-х, создавались для больших на тот момент времени контейнеровозов грузовместимостью до 4000 стандартных мест и должны были обеспечивать скорость до 24 узлов.
Двигатели K80MC-C создавались под контейнероносцы вместимостью 3000 стандартных мест и задача по крейсерской скорости совпадала.
На Рисунке 3: Power kW pre cylinder - мощность в килоВаттах на один цилиндр, Speed (rpm) - частота вращения (оборотов в минуту), Bore (mm) - диаметр цилиндра в миллиметрах, Stroke (mm) - ход поршня в миллиметрах, Mep (bar) - среднее эффективное давление в барах, Pmax (bar) - максимальное давление сгорания в барах, Mps (m/s) - средняя скорость хода поршня в метрах в секунду, Length (7 cyl.) (mm) - длинна 7-ми цилиндрового двигателя в миллиметрах.
Разрабатывая двигатель K90MC/MC-C, конструкторы обсуждали большое количество накопленных вопросов и нюансов внутри коллегии МАН. Они также обращались за консультациями к специалистам по гидродинамике в поиске оптимальной частоты вращения винта для оснащаемого контейнеровоза.
Итак, мнения немного разделились, но в целом, почти совпали. Одни специалисты настаивали на номинальной частоте вращения винта на уровне 90 оборотов в минуту, другие утверждали, что оптимальным решением будет 100 оборотов в минуту.
В общем, К90МС имеет номинальную частоту вращения вала 94, а К90МС-С - 104.
🔥ОБНОВЛЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Как заявляют разработчики: модернизированные К80/90 и S80 просто волшебные какие-то получились. Давай посмотрим...
Среднее эффективное давление было выбрано на уровне 20 бар, а для того, чтобы сделать удельный расход топлива более привлекательным для потенциальных покупателей, максимальное давление сгорания было решено установить на отметке 160 бар. Средняя скорость поршня осталась на уровне 9 метров в секунду.
С такими вводными старые двигатели получили серьезный буст. Двигатель К90МЕ теперь может выдавать 5720 кВт/цилиндр на 94-х оборотах в минуту, К80МЕ-С - 4530 кВт/цилиндр на 104-х оборотах в минуту, S80ME-C - 4510 кВт/цилиндр на 78-х оборотах в минуту.
Как сильно эти данные отличаются от таковых для оригинальных двигателей? На 25%!!! Этот очень серьезный прирост мощности еще и не сопровождается повышением удельного расхода топлива; то есть количества топлива в граммах, затрачиваемого на производство одного килоВатта энергии. Как такое возможно? За счет повышения давлений: максимального давления сгорания и среднего эффективного давления.
Модернизация движков кажется очень успешной, ведь обновленные нарощенные килоВатты генерируются на старой базе? Нет, у всего есть цена и даже неприлично высокий запас прочности конструкции старых "рабочих лошадок" приходится пересчитывать, а в конструкцию вносить изменения.
🔥МЕНЬШЕ, МОЩНЕЕ, СОВРЕМЕННЕЕ
Повышение удельной мощности (мощность на единицу веса конструкции) первым делом снижает габариты энергетической установки. Если для генерации того-же количества драгоценных килоВатт необходимо теперь поставить двигатель с меньшим количеством цилиндров, то еще и снижаются затраты на обслуживание. Но при этом повышается и напряженность конструкции и, чтобы она оставалась не менее надежной, чем те, что уже сделали компании имидж, нужно всё-таки внести в неё некоторые изменения.
Давай для начала расскажу о том, что уже применялось до модификации. Это действительно интересно, ведь оказало "вау эффект" и на меня. Отсчет цилиндров в двигателе начинается от конца отбора мощности, то есть от маховика. Есть исключения, но обычно так.
Гребной винт, отбрасывая тонны воды от кормы, передаёт усилие на упорный подшипник, расположенный перед первым цилиндром. Но жесткость металлических конструкций не сто процентна, поэтому часть усилия переходит на кривошипы и это усилие приходится в расчетах учитывать для сохранения соосности всей конструкции. Компенсируется этот негативный эффект длиной кривошипа, что закладывается немного больше, чем того требует геометрия цилиндра.
Конструкторы МАН в своих расчетах пришли к выводу, что осевое усилие на первых цилиндрах выше такового на последних. Так и было принято решение о дифференциации длин кривошипов. Например, двигатель 12К90МЕ/МС-С поколения Марк 9 имеет длину кривошипа для первых 6-ти цилиндров 1588 мм, а для остальных 6-ти - 1480 мм. Это незначительное изменение позволило облегчить 12К90МЕ/МС-С на 25 тонн, а общая длина двигателя сократилась более чем на пол метра!
От себя не могу не добавить, что подобное решение, конечно, немного усложнило жизнь механикам на борту. Снимать измерения раскепа теперь немного сложнее, так как измерительный инструмент устанавливается именно между щеками коленчатого вала, расстояние между которыми теперь разное.
Процедура и до этого комфортной не была, а теперь еще и перенастраивать штангу раскепника нужно... Вот, поделюсь с тобой видео такого процесса на среднеоборотном, сравнительно небольшом двигателе: "СМОТРЕТЬ НА ДЗЕН".
Но такой "франкенштейн", как результат бурной деятельности инженеров-конструкторов, явился, скорее, исключением из правил. Благодаря новым технологиям обработки металла удалось снизить вес двигателей всех всех упомянутых серий. Двигатель 8K90ME/ME-C стал легче на 34 тонны, а двигатель серии S80ME-C в семи цилиндровом исполнении стал легче на 22 тонны за счет сокращения длинны кривошипа с 1424-х миллиметров до 1334-х.
🔥ФУНДАМЕНТНАЯ РАМА
Когда речь заходит об экономии ресурсов при изготовлении литых конструкций, литьё заменяют сваркой. Но инженеры МАН пошли немного дальше и сократили производственный цикл еще на одну ступень - они избавились от механической пост обработки постелей подшипников после их сваривания. Не знаю как именно это происходит, но знаю точно, что деталь такой сложной формы как постель опорного подшипника - это не два "танковых" шва. Сваривание металлов хоть и производят с учетом взаимного вычитания напряжений (металл сильно тянет на шов), но полностью избавиться от деформаций и отказаться от пост обработки - это магия.
До модификации упорный подшипник предусматривал укладку сегментов не на всю окружность контакта, а на 240 градусов. Это решили тоже исправить для двигателей с количеством цилиндров от 9 до 12.
Равномерное распределение усилия на всю окружность подшипника позволило снизить объём стали, затрачиваемой на производство такого узла при неизменных прочностных характеристиках. Диаметр упорного подшипника нового образца тоже снижен, а осевое усилие теперь прилагается по центру коленчатого вала, а не со смещением, как раньше. Честно говоря, не могу понять почему именно инженеры пошли по пути использования подшипника неполной укладки. Сегменты, коих теперь 12 абсолютно одинаковы, в отличие от предшествующей модели.
Мне стало интересно и я покопался в имеющихся у меня на руках инструкциях. Довелось мне работать с МАНом 2017-го года постройки и что ты думаешь? Да, там упорный подшипник старой конструкции, хоть цилиндров и 10. Смотри Рисунок 6.1.
Кстати, модификации подвергся только кормовой подшипник, а вот носовой остался таким-же сегментом в 240 градусов. А двигатели с количеством цилиндров менее, чем 9 получают оба подшипника конструкции 240... Посмотри на Рисунок 7, там видно, что новый подшипник установлен только с одной стороны.
🔥БЛОК ЦИЛИНДРОВ
Раньше блок цилиндров изготавливали литьем. Нет, не отливали одну большую болванку, а изготавливали индивидуальные секции для каждого цилиндра, а затем скрепляли их воедино. Кстати, на всех двигателях, с которыми приходится иметь дело сегодня конструкция литая, а в продувочном ресивере можно найти множество крепежных элементов, стягивающих разрозненные блоки воедино.
Сейчас рамы тоже продолжают лить, отдавая честь "традициям", но в качестве опции предлагают и сварную конструкцию, обладающую рядом преимуществ. Она легче, но жестче. В неё можно интегрировать продувочный ресивер, оптимизировав тем самым рабочее пространство и снизив вес конструкции. Смотри Рисунок 9.
На Рисунке 9: слева сверху - традиционная компоновка блока цилиндра (литая конструкция) с продувочным ресивером, прикрепленным болтами; справа сверху - новая литая конструкция блока цилиндров с продувочными ресивером D-образной формы; снизу слева - новый сварной блок цилиндров с продувочным ресивером D-образной формы, закреплённым на болтах; снизу справа - новая сварная конструкция блока цилиндров с интегрированным (приваренным) продувочным ресивером.
Даже на картинке видно, что новый сварной дизайн намного лучше классического литого. Продувочные порты выше и шире, что снижает сопротивление воздуха при выходе его из ресивера в подпоршневую полость, да и для нас, людей, это более комфортно, так как в такой портал можно будет пешком на инспекцию заходить. Вес всей конструкции можно снизить на 30%, если полностью отказаться от литья и перейти на сварку.
Вот тебе литая рама относительно современного движка. Видимо, тут действительно выбор зависит от желания и кошелка заказчика.
🔥РАМА
Изменения её не коснулись... Так же как и в двигателях ME/ME-C/MC-C рама треугольной формы с двойным набором анкерных связей. Смотри Рисунок 11.
Вообще, при создании этих рам перед разработчиками ставились следующие условия:
- по функционалу рама должна соответствовать или превосходить существующие конструкции
- цена производства должна быть снижена. Снижение стоимости производства достигается упрощением базовых элементов, из которых изготавливается вся конструкция. Это позволяет передать сварочные работы роботам.
- нужно оставить задел на будущее. Это, пожалуй, самое интересное, сложное и размытое требование к конструкции. Естественно, что нужно закладывать дополнительный запас прочности на случай дальнейшего форсирования имеющейся конструкции, но совершенно непонятно какие еще факторы нужно учесть... Как тут предугадать направления двигателестроения лет через 10? Возможно, что разработчики пойдут по пути увеличения хода поршня, продолжая черпать термодинамический потенциал установки... Тогда ширины рамы может и не хватить, чтобы вписать кривошип нового повышенного радиуса... Для меня такие задания, творческие по сути, всегда были сложными.
- заложить основы технологии производства без пост обработки металлических сварных конструкций. Сварил и на сборку, что, как я и описывал ранее, очень сложно.
🔥КАМЕРА СГОРАНИЯ
Камера сгорания привычной формы. Она по прежнему полу-колпачковая, то есть поршень частично заходит в цилиндровую крышку. Донышко поршня имеет ярко выраженную впадину. Вообще, дизайн камеры сгорания двигателей МАН относится к типу "Орос", о чем можно и нужно писать отдельно.
Если с компоновкой камеры сгорания работать практически не пришлось, то пакет колец все же заменили. Смотри Рисунок 12 со сравнительной таблицей.
Сразу в глаза бросается появление колец "Cermet". Это кольца с металло-керамическим покрытием работающей по цилиндровой втулке поверхности. Первое и четвертое кольца имеют трапецевидную форму ( в отличие от классической прямоугольной с углами 90 градусов) в поперечном сечении. Это сделано в связи с возросшим максимальным давлением сгорания, и старые кольца стало выламывать. Пробегись глазами по табличке на Рисунке 12 и сам найди отличия в пакетах разных серий.
Вообще, при повышении параметров рабочего процесса именно кольца первыми показывают все последствия форсировки. Хромо-керамическое покрытие колец призвано бороться с задирами и довольно хорошо себя показывает на практике. Я хоть и работаю с двигателями Sulzer большую часть времени, но такие кольца есть и для них.
Помимо покрытия и измененной формы сечения колечки немного разгружены системой специальных пропилов. CL - Controlled Leakage - это система диагональных пропилов рабочей поверхности колец, что способствует более равномерному распределению давления между кольцами.
На Рисунке 13: Vermicular cast iron base material Chrome-plated bottom face - волнистая поверхность базового металла, хромированная, Cermet coating 0.5 mm - хромо-керамическое покрытие 0.5 мм, Alu-coat for running-In 0.1 mm - алюминий содержащее покрытие 0.1 мм, Grey cast iron base material - серый чугун в качестве базового металла, Alu-coating - алюминий содержащее покрытие.
Такие вот дела. Классическая школа двигателестроения говорит, что компрессионных колец несколько для того, чтобы гарантировать герметичность рабочего объёма, а тут "разгрузка". А это говорит о том, что по выпуску из академии учиться прекращать нельзя.
Взгляни еще раз ни Рисунок 13, а именно на компоновку первого и четвертого колец. На базу из чугуна нанесено хромо-керамическое покрытие, а на нём еще и алюминий содержащий слой. Дело в том, что Alu-coat - покрытие приработочное, что создает благоприятные условия работы цилиндро-поршневой группы в условиях обкатки. Практика показывает, что приработочное покрытие остается и спустя 18 000 часов работы, при условии, что был адекватный режим цилиндровой смазки.
Cermet - это твердое покрытие, очень. Вопреки классическим знаниям о ДВС, где нас учили, что твердость втулки должна быть выше твердости колец, что закладывает износ именно колец, а не втулки. Это логично с точки зрения экономичности обслуживания двигателя, ведь втулка сильно дороже пакета колец.
Cermet покрытие представляет собой карбид хрома, размещенный на нихроме.
Нет, с кольцами ещё не закончили. Для снижения прорыва газов через кольца в момент обкатки, когда форма цилиндровой втулки немного не соответствует форме новых колец, на кольцах сняты фаски. Фаски не классической формы, а очень пологие и доходят они до половины толщины кольца.
Да, кольца - это магия и погружаться в неё нужно постепенно. Я однажды созрею и напишу об этом...
🔥ПОРШЕНЬ
Видишь это "ёжик" по центру на Рисунке 14? Это система распределения охлаждающего масла, способствующая равномерному омыванию донышка поршня охлаждающим маслом. На Рисунке 14 этого не видно, но огневое днище поршня имеет жаропрочное покрытие "Инконель". Это семейство аустенитных никель-хромовых жаропрочных сплавов.
🔥ВЫПУСКНОЙ КЛАПАН
Корпус клапана чугунный с водяным охлаждением и сверленными и литыми охлаждающими каналами. Исследования, а они проводились, показали, что клапан в работе горячь недостаточно, чтобы причинить проблемы, но достаточно, чтобы исключить низкотемпературную коррозию. В общем, кругом хорош, не клапан, а Швейцария. Но есть свои "приколы" с этими клапанами...
Вот, например, система смазки COL (controlled oil level) ( контролируемый уровень масла) подразумевает, что это саме масло туда изначально нальют люди, занимающиеся обслуживанием машины. А это уже подразумевает, что люди должны иметь определенный уровень компетенции и уметь читать инструкции до того, как наступит поломка. Смотри Рисунок 16.
🔥ДИЗАЙН ВЫПУСКНОГО КОЛЛЕКТОРА
Выпускной коллектор за последние годы претерпел несколько изменений. Были пересмотрены технология сваривания, конструкция опор и компенсаторов. Смотри Рисунок 17.
Видишь как облегчили опоры? Опыт эксплуатации пока слишком мал, но случаи возникновения трещин уже фиксировались.
🔥ЭЛЕКТРОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ
Тут можно сделать вывод, что от ранних серий новые двигатели принципиально не отличаются. Все модификации преследовали цель - удешевить конечный продукт. Смотрим...
🔥СТАНЦИЯ ГИДРАВЛИКИ
По прежнему осталось два основных направления исполнения - с механическим приводом и электрическим.
В случае с механическим приводом МАН пошел по своему классическому пути и приводит шестеренчатый блок с несколькими гидравлическими насосами высокого давления от коленчатого вала посредством цепи. Почему МАН выбирает цепь? Это практично, ведь позволяет снизить требования к точности изготовления большого количества деталей. Хотя, более дешевые двигатели Sulzer имеют шестеренчатый привод вообще не нуждающийся в обслуживании.
Незначительно на первый взгляд, но серьёзно, если присмотреться изменилась система гидравлики в целом. Толстостенные с двойной стенкой трубы заменены обычными гидравлическими, а индивидуальный аккумулятор для каждого актуатора заменен групповым на торце двигателя.
Вспомогательные насосы, что используются для пуска двигателя, размещены на торце двигателя в нижней точке гидравлической системы, что логично. Производитель утверждает, что это удобное расположение насосов, но представь, что тебе каждый день нужно это осматривать поднимаясь на не самую большую и удобную платформу над маховиком...
🔥PS
МАН идет по пути снижения стоимости своих двигателей, это наглядно. Зачем это нужно? Скорее всего, чтобы конкурировать со своим основным соперником Sulzer на другой ценовой нише. Двигатели МАН более требовательны к качеству обслуживания, уровню знаний персонала и "степени оригинальности" запасных частей и принадлежностей. Что же, посмотри куда заведет стремление компании задавить конкурентов на абсолютно несвойственной им нише...
Оригинал статьи, на базе которой написана эта: https://t.me/c/1536125753/570
Чтобы иметь доступ к книгам - нужно для начала подписаться на библиотеку: https://t.me/+QV9wgiG-9O8xNmQy
Все мои проекты по ссылке: https://taplink.cc/sharapov_mechanic
