Silniki wysokoprężne są szeroko stosowane na nowoczesnych statkach. Obecnie statki z silnikami wysokoprężnymi jako silnikiem głównym stanowią ponad 98% całości, a łączna moc statków-z silnikiem wysokoprężnym stanowi ponad 90% całkowitej-mocy konstrukcyjnej statków.
Warunkiem koniecznym zapewnienia bezpieczeństwa żeglugi jest normalne uruchomienie głównego silnika spalinowego zapewniającego energię statku.
Metoda rozruchu za pomocą sprężonego-powietrza jest szeroko stosowana w średnich-i dużych-silnikach wysokoprężnych ze względu na duży moment rozruchowy, szybki i płynny proces rozruchu oraz szerokie zastosowanie.
Główne silniki wysokoprężne dwusilnikowego-statku z pojedynczym-śmigłem nagle nie uruchomiły się normalnie w tym samym czasie. W artykule tym przeanalizowano i rozwiązano problem tej usterki rozruchu, mając nadzieję na inspirację i pomoc dla personelu zajmującego się konserwacją i zarządzaniem głównymi silnikami wysokoprężnymi.
I. Zjawisko usterki
Kiedy statek przygotowywał się do wypłynięcia, gdy główny silnik wysokoprężny zakończył-przygotowania przed uruchomieniem, załoga nacisnęła przycisk „Start” na centralnej konsoli sterowania, ale silnik wysokoprężny się nie obracał, a rozruch nie powiódł się.
Inżynierowie morscy próbowali następnie uruchomić silnik z lokalnej konsoli sterowania, ale nadal im się to nie udało.
Aby zapewnić dokończenie misji statku, inżynierowie morscy w końcu podjęli próbę ręcznego otwarcia głównego zaworu rozruchowego. Uważali, że jest to bardziej wyczerpujące niż zwykle, ale główny silnik w końcu pomyślnie uruchomił się i odtąd działał normalnie.
Po powrocie statku inżynierowie morscy próbowali znaleźć przyczynę usterki rozruchu. Poprzez wielokrotne testy rozruchowe podsumowali następujące zjawiska:
(1) Po naciśnięciu przycisku „Start” na centralnej konsoli sterowania i lokalnej konsoli sterowania, silnik wysokoprężny nie uruchomił się.
(2) Po naciśnięciu przycisku „Start” słychać było dźwięk włączania-zaworu odcinającego paliwo.
(3) Po kilku operacjach „przedmuchania” i naciśnięciu przycisku „Start” na centralnej konsoli sterowania lub na lokalnej konsoli sterowania silnik wysokoprężny mógł zostać uruchomiony.
(4) Zjawiska rozruchowe dwóch głównych silników wysokoprężnych były takie same.
II. Zasada startu
Główny silnik wysokoprężny tego statku wykorzystuje system rozruchu na sprężone-powietrze, w którym zastosowano metodę rozruchu z pojedynczym-rzędem wlotowym i dwurzędowym-rozruchem. Rysunek 1 przedstawia schemat układu rozruchowego.
Rysunek 1: Schemat układu rozruchowego silnika wysokoprężnego
Ciśnienie powietrza rozruchowego wynosi 1,2-3 MPa, a ciśnienie powietrza sterującego wynosi 0,7 MPa. Obydwa są napełniane do butli powietrza rozruchowego i butli powietrza sterującego po dekompresji za pomocą głównej butli sprężonego powietrza o ciśnieniu 4,7 MPa przez zawór redukcyjny.
Po uruchomieniu silnika wysokoprężnego uruchamiany jest elektrozawór rozruchowy. Powietrze sterujące po przejściu przez zawór blokujący przekładnię zwrotniczą rozdziela się na dwie ścieżki:
Jedna ścieżka prowadzi do zaworu kierunkowego, który zamyka-zawór odcinający paliwo i otwiera obwód oleju opałowego.
Druga ścieżka prowadzi do głównego zaworu rozruchowego, otwierając główny zawór rozruchowy i otwierając obieg powietrza rozruchowego.
Po przejściu przez główny zawór rozruchowy powietrze startowe rozdzielane jest na trzy ścieżki:
Jedna ścieżka prowadzi do zaworu rozruchowego zainstalowanego na cylindrach B-rzędu. Po otwarciu zaworu rozruchowego cylindra powietrze dostaje się do cylindra.
Jedna droga prowadzi do rozdzielacza powietrza, a następnie zgodnie z kolejnością zapłonu silnika Diesla dociera po kolei do zaworów rozruchowych cylindrów w celu ich otwarcia.
Kolejna ścieżka prowadzi do serwa uruchamiającego regulatora.
Powietrze rozruchowe dostaje się do cylindrów-rzędu B w kolejności zapłonu, popychając tłoki i wprawiając wał korbowy w ruch obrotowy. Gdy prędkość obrotowa silnika wysokoprężnego osiągnie prędkość początkową 1, regulator odbiera sygnał ustawienia prędkości (przepustnicy), szybko zwiększa dopływ paliwa do przepustnicy rozruchowej 1, a następnie reguluje przepustnicę w zależności od prędkości obrotowej, aż silnik wysokoprężny wejdzie w stan stabilnej pracy. Schemat zależności prędkości początkowej od przepustnicy podczas procesu rozruchu przedstawiono na rysunku 2.
Rysunek 2: Diagram zależności między prędkością początkową a przepustnicą podczas procesu rozruchu
III. Analiza i rozwiązywanie problemów związanych z przyczyną usterki
Zgodnie z podstawową zasadą działania i zasadą rozruchu silnika wysokoprężnego proces rozruchu tego silnika wysokoprężnego obejmuje głównie układ zasilania paliwem, układ dolotowy i wydechowy, układ kontroli prędkości, układ monitorowania i bezpieczeństwa oraz układ sprężonego-powietrza.
Kierując się zasadą analizy usterek „od łatwych do trudnych, od powierzchni do wnętrza” oraz w oparciu o zjawiska podsumowane przez inżynierów okrętowych podczas prób rozruchowych, zakres usuwania usterek jest zawężony.
1. Analiza wstępna
Silnik wysokoprężny nie uruchomił się w trybie sterowania (naciśnięcie przycisku „Start” na centralnej konsoli sterowania lub lokalnej konsoli sterowania), ale mógł uruchomić się poprzez ręczne otwarcie głównego zaworu rozruchowego. Ponadto silnik wysokoprężny po pomyślnym uruchomieniu pracował normalnie, co wskazuje na prawidłową pracę zaworów rozruchowych cylindrów, układu zasilania paliwem, układu dolotowego i wydechowego oraz układu kontroli prędkości obrotowej silnika wysokoprężnego.
Warto zaznaczyć, że nawet w przypadku niemożności uruchomienia silnika ZS, gdy wystąpią zjawiska usterkowe takie jak brak obrotów silnika ZS lub nieosiągnięcie prędkości początkowej 1, to układ regulacji prędkości obrotowej i układ zasilania paliwem nie brały jeszcze udziału w pracy i w pierwszej kolejności należy rozważyć usterki w innych układach.
Podczas uruchamiania zawór-odcinający paliwo mógł przełączyć się normalnie, a zawór blokady przekładni zwrotnicy w systemie monitorowania i bezpieczeństwa nie zaświecił się, co wskazuje, że elektromagnetyczny zawór rozruchowy i zawór blokady przekładni zwrotnicy w obwodzie powietrza sterującego działają normalnie, a powietrze sterujące może dotrzeć do głównego zaworu rozruchowego.
Ponieważ silnik wysokoprężny mógłby zostać uruchomiony poprzez ręczne otwarcie głównego zaworu rozruchowego, uważa się, że w głównym zaworze rozruchowym może występować usterka.
2. Rozwiązywanie problemów z głównym zaworem rozruchowym
(1) Struktura i zasada działania
Główny zawór rozruchowy tego głównego silnika wysokoprężnego jest zainstalowany obok skrzyni korbowej, jak pokazano na rysunku 3, a jego budowę pokazano na rysunku 4. Główne elementy to: górny blok, tłok, sprężyna prowadząca, zawór nadmiarowy, główna sprężyna, zawór główny, gniazdo zaworu i korpus zaworu.
Rysunek 3: Główny zawór rozruchowy
Rysunek 4: Budowa głównego zaworu rozruchowego
Po podłączeniu powietrza sterującego tłok przesuwa zawór nadmiarowy w dół. Główne powietrze rozruchowe w korpusie zaworu jest połączone z atmosferą zewnętrzną przez otwór upustowy, a ciśnienie gwałtownie spada. W rezultacie ciśnienie pionowe działające na zewnętrzną stronę zaworu głównego może pokonać siłę wypadkową ciśnienia pionowego działającego na stronę wewnętrzną i siłę sprężystości głównej sprężyny, powodując uniesienie głównego zaworu do góry, otwierając w ten sposób główny zawór rozruchowy.
Podczas tego procesu siła powietrza sterującego przykładana do tłoka musi być w stanie pokonać siłę sprężystości sprężyny prowadzącej i skierowane ku górze ciśnienie gazu działające na zawór nadmiarowy. Stan siły tłoka przedstawiono we wzorze (2).
Jeżeli główny zawór rozruchowy zostanie otwarty ręcznie, ciśnienie skierowane w dół na górny blok poprzez obrót tarczy zastępuje siłę powietrza sterującego, powodując ruch zaworu nadmiarowego w dół.
F_tłok, powietrze sterujące > F_zawór nadmiarowy, powietrze rozruchowe + T_sprężyna prowadząca (2)
(2) Analiza potencjalnych przyczyn usterek
Z zasady działania głównego zaworu rozruchowego wynika, że kluczem do otwarcia głównego zaworu rozruchowego jest normalne otwarcie zaworu nadmiarowego. Dlatego analizę przeprowadza się od trzech następujących aspektów w oparciu o wzór (2):
1) Niewystarczające ciśnienie powietrza sterującego, co powoduje niewielki nacisk na tłok.
Punkty nieszczelności w rurociągu powietrza sterującego lub zablokowanie złącza powietrza sterującego spowodują, że ciśnienie powietrza sterującego wpływającego do głównego zaworu rozruchowego będzie niskie.
2) Zwiększony opór ruchu zaworu nadmiarowego w dół.
Słabe smarowanie pomiędzy zaworem nadmiarowym a tuleją prowadzącą lub rdzewienie zaworu nadmiarowego lub tulei prowadzącej na skutek wilgotnego powietrza spowoduje zablokowanie ruchu zaworu nadmiarowego, a w ciężkich przypadkach może nawet spowodować jego całkowite zablokowanie.
Warto zauważyć, że jeśli początkowe ciśnienie powietrza będzie zbyt wysokie, znacznie wzrośnie również opór ruchu zaworu nadmiarowego w dół.
3) Trudność w ściśnięciu sprężyny prowadzącej.
Sprężyna prowadząca wykonana jest z metalu. Rdzewienie spowodowane wilgotnym powietrzem powoduje, że produkty rdzy utrudniają normalne ściskanie sprężyny. Nadmierna cykliczna kompresja może powodować mikro-pęknięcia, zwiększając siłę wymaganą do kompresji.
Ponadto nieprawidłowy montaż sprężyny może spowodować kolizję z otaczającymi elementami, utrudniając docisk sprężyny.
(3) Demontaż i kontrola
Po oględzinach zewnętrznych i demontażu głównego zaworu rozruchowego w celu sprawdzenia zaworu nadmiarowego i sprężyny prowadzącej stwierdzono:
1) Połączenia rurociągu powietrza sterującego były prawidłowe, bez wycieków, a złącze powietrza sterującego nie było zablokowane.
2) Zawór nadmiarowy mógł poruszać się elastycznie w tulei prowadzącej, a sprężyna prowadząca nie miała widocznej rdzy ani wyraźnych pęknięć na powierzchni.
3) Ciśnienie butli powietrza sterującego było w normie, ale ciśnienie głównej butli powietrza rozruchowego przekroczyło 3 MPa, jak pokazano na rysunku 5.
Rysunek 5: Manometr ciśnienia powietrza rozruchowego
Wysokie ciśnienie głównego powietrza rozruchowego jest dokładnie powodem, dla którego inżynierowie morscy odczuwali wysiłek podczas otwierania głównego zaworu rozruchowego.
Ponieważ zarówno powietrze sterujące, jak i główne powietrze rozruchowe uzyskuje się poprzez dekompresję powietrza z głównej butli ze sprężonym powietrzem pod ciśnieniem 4,7 MPa przez zawór-redukujący ciśnienie, punkt uszkodzenia jest w zasadzie zablokowany jako zawór-redukujący ciśnienie.
3. Rozwiązywanie problemów z-zaworem redukującym ciśnienie
(1) Struktura i zasada działania
Model zaworu-redukującego ciśnienie to Q/HFJM-20A. Obiekt fizyczny pokazano na rysunku 6 i dzieli się on na zawór pilotowy i główny zawór redukcyjny. Strukturę wewnętrzną pokazano na rysunku 7.
Rysunek 6: Zawór redukcyjny Q/HFJM-20A
Rysunek 7: Struktura wewnętrzna zaworu pilotowego Q/HFJM-20A (górny) i zaworu głównego (dolny)
Zawór pilotowy składa się głównie z pokrywy regulacyjnej, sprężyny regulacyjnej i śruby regulacyjnej. Główne elementy głównego-zaworu redukcyjnego ciśnienia obejmują: tłok, tarczę głównego zaworu i sprężynę powrotną.
Gdy pokrywa regulacyjna zaworu pilotowego znajduje się w położeniu początkowym, sprężyna regulacyjna zaworu pilotowego nie znajduje się pod ciśnieniem, zawór pilotowy nie jest otwierany, ciśnienia w górnej i dolnej komorze tłoka w głównym-reduktorze ciśnienia są zrównoważone, a tarcza zaworu głównego zamyka kanał zaworu głównego pod ciśnieniem sprężyny powrotnej.
Kiedy pokrywa regulacyjna zaworu pilotowego zostanie obrócona w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, sprężyna regulacyjna zostaje ściśnięta i otwiera tarczę zaworu pilotowego. Wylot sprężonego powietrza przez zawór pilotowy wchodzi do górnej komory tłoka. Tłok jest poddawany działaniu pionowego nacisku w dół, pokonuje siłę sprężystą sprężyny powrotnej i przesuwa się w dół. Jednocześnie popychacz przesuwa się w dół, otwierając główny talerz zaworu. Następnie źródło powietrza-o wysokim ciśnieniu PN1 wchodzi do komory wyjściowej, wytwarzając ciśnienie wyjściowe PN2.
Jednocześnie sprężone powietrze z komory wyjściowej dostaje się do dolnej komory tłoka, oddziałując na dolną część tłoka, kompensując ciśnienie panujące w górnej części tłoka. Otwarcie głównego dysku zaworu zmniejsza się, aż do osiągnięcia równowagi.
(2) Analiza potencjalnych przyczyn usterek
Z zasady działania tego-zaworu redukcyjnego ciśnienia wynika, że ciśnienie wyjściowe zależy od otwarcia głównego dysku zaworu. Im większy otwór, tym wyższe ciśnienie wyjściowe.
Zawór pilotowy pełni rolę kontrolną, a główny-zawór redukcyjny ciśnienia ma funkcję samokompensacji-ze sprzężeniem zwrotnym. Dlatego też analizę przeprowadza się w dwóch aspektach:
1) Nieprawidłowa wartość nastawy zaworu pilotowego.
Jeśli pokrywa regulacyjna zaworu pilotowego zostanie przypadkowo dokręcona, zwiększając-wstępne ściśnięcie sprężyny regulacyjnej, lub jeśli sprężyna regulacyjna zestarzeje się lub zdeformuje, ciśnienie wyjściowe zaworu pilotowego wzrośnie, wpływając w ten sposób na ciśnienie wyjściowe zaworu głównego.
2) Nieprawidłowe działanie głównego zaworu.
Problemy takie jak spadek modułu sprężystości sprężyny powrotnej, utknięcie tłoka podczas ruchu w dół, uszkodzenie powierzchni uszczelniającej pomiędzy tarczą zaworu głównego a gniazdem zaworu czy zablokowanie otworu prowadzącego ciśnienie-w dolnej komorze tłoka powodują, że otwarcie tarczy zaworu głównego będzie większe niż pierwotne położenie równowagi.
(3) Rozwiązywanie problemów
Zawór pilotowy i zawór główny-zaworu redukcyjnego ciśnienia zostały zdemontowane. Sprężynę regulacyjną i sprężynę powrotną poddano oględzinom i zbadano ich siły sprężyste. Jednocześnie dokładnie sprawdzono elastyczność ruchu tłoka oraz powierzchnię uszczelniającą tarczy zaworu głównego. Stwierdzono, że sprężyna regulacyjna zaworu pilotowego uległa starzeniu.
Po wymianie sprężyny regulacyjnej pokrywę regulacyjną zaworu pilotowego wyregulowano tak, aby ciśnienie wyjściowe wynosiło 3 MPa. Silnik wysokoprężny został przetestowany pod kątem ponownego uruchomienia na lokalnych i scentralizowanych konsolach sterujących i silnik wysokoprężny mógł uruchomić się normalnie.
Podczas testów rozruchowych inżynierowie morscy odkryli, że silnik wysokoprężny można uruchomić w trybie kontrolnym po kilku operacjach-przedmuchu. W rzeczywistości dzieje się tak dlatego, że operacje „przedmuchu-” zużywają sprężone powietrze. Po spadku ciśnienia głównego powietrza rozruchowego powietrze sterujące mogło ponownie otworzyć główny zawór rozruchowy.
IV. Wniosek
W artykule przeprowadzono szczegółową analizę i rozwiązywanie problemów związanych z nieprawidłowym uruchamianiem głównego silnika wysokoprężnego statku. Wyniki pokazują, że przyczyną usterki jest starzenie się sprężyny regulacyjnej zaworu pilotowego-reduktora ciśnienia w instalacji sprężonego-powietrza, które powoduje zbyt wysokie ciśnienie głównego powietrza rozruchowego.
Kierownictwu morskiemu kierowane są trzy sugestie:
Po pierwsze, popraw standaryzację codziennej konserwacji oraz ściśle konserwuj i serwisuj każdy komponent i system zgodnie z instrukcjami technicznymi i instrukcjami.
Po drugie, wzmocnij naukę i zrozumienie wewnętrznych struktur i specyficznych zasad działania głównych komponentów, co pomoże szybko określić lokalizację usterki.
Po trzecie, nie skupiaj się tylko na silniku głównym, ale zwróć także uwagę na wpływ układów pomocniczych na niezawodność maszyny.