Двигатель крупного грузового судна обычно представляет собой малооборотный двухтактный дизель, работающий примерно на 60–130 rpm и напрямую соединённый с гребным валом, тогда как на паромах, круизных лайнерах, буксирах и судах обеспечения морских промыслов преимущественно применяются средне- или высокооборотные четырёхтактные дизели с передачей мощности через редуктор или генераторы. Двухтактные двигатели выигрывают по топливной экономичности и простоте при очень большой мощности; четырёхтактные — по компактности, удельной мощности и гибкости применения.
Основные выводы
- Судовые дизели делят по частоте вращения на малооборотные (обычно ниже примерно 300 rpm, почти всегда двухтактные), среднеоборотные (примерно 300–1000 rpm) и высокооборотные (выше примерно 1000 rpm); две последние группы обычно четырёхтактные.
- В двухтактном дизеле рабочий ход происходит каждый оборот; в четырёхтактном — каждый второй оборот.
- Крупные двухтактные судовые двигатели имеют крейцкопфную конструкцию с прямоточной продувкой и могут достигать удельного эффективного расхода топлива около 170 g/kWh при тепловом КПД, близком к 50 процентам.
- Двухтактный 14-цилиндровый RTA96-C широко упоминается как крупнейший поршневой двигатель: его номинальная мощность составляет около 80000 kW, а масса превышает 2300 тонн.
- На круизных лайнерах обычно используется дизель-электрическая силовая установка: несколько среднеоборотных двигателей приводят генераторы, питающие гребные электродвигатели или гондольные движители.
- С 2020 года правила IMO в рамках приложения VI к MARPOL ограничивают содержание серы в топливе до 0.50 процента во всём мире и до 0.10 процента в районах контроля выбросов, стимулируя переход судов на малосернистое топливо, скрубберы или LNG.
Какой тип двигателя используется на большинстве судов?
На большинстве коммерческих судов используются дизельные двигатели, которые выбирают за высокий тепловой КПД, возможность применения разных видов топлива и надёжность. Размер и частота вращения двигателя зависят от типа судна и способа передачи мощности.
| Класс двигателя | Типичная частота вращения | Рабочий цикл | Типичный диапазон мощности | Область применения |
|---|---|---|---|---|
| Малооборотные | ~60–130 rpm (крупные агрегаты) | Двухтактный, крейцкопфный | От нескольких MW до примерно 80 MW | Контейнеровозы, балкеры, танкеры |
| Среднеоборотные | ~300–1000 rpm | Четырёхтактный, тронковый | ~0.5–20 MW на двигатель | Паромы, круизные лайнеры, суда обеспечения морских промыслов, крупные буксиры, судовые генераторные установки |
| Высокооборотные | Выше ~1000 rpm | Четырёхтактный | До нескольких MW | Рабочие суда, патрульные катера, скоростные паромы, небольшие буксиры, вспомогательные генераторные установки |
Определения диапазонов частоты вращения различаются у разных источников и производителей двигателей, поэтому их границы следует считать приблизительными. На каждом крупном судне также имеются вспомогательные двигатели, обычно средне- или высокооборотные четырёхтактные генераторные установки, обеспечивающие электроснабжение в море и в порту.
Как работает двухтактный дизель?
Двухтактный дизель выполняет впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск за один оборот коленчатого вала, поэтому воспламенение в каждом цилиндре происходит при каждом достижении поршнем верхнего положения. В крупных судовых версиях вместо отдельных тактов впуска и выпуска используется система продувочного воздуха с подачей от турбокомпрессора.
- Рабочий ход — вблизи верхней мёртвой точки топливо впрыскивается в нагретый сжатием воздух, воспламеняется и перемещает поршень вниз.
- Выпуск — вблизи нижнего положения поршня открывается выпускной клапан с гидравлическим приводом в крышке цилиндра, и давление падает.
- Продувка — поршень открывает окна в гильзе цилиндра, и воздух под давлением от турбокомпрессора и ресивера продувочного воздуха проходит вверх через цилиндр, вытесняя отработавшие газы через клапан. Такое однонаправленное движение называется прямоточной продувкой.
- Сжатие — окна перекрываются, выпускной клапан закрывается, и поднимающийся поршень сжимает свежий воздух для следующего цикла.
Поскольку рабочий ход происходит каждый оборот, а частота вращения низкая, малооборотные двухтактные двигатели можно напрямую соединять с крупным гребным винтом фиксированного шага без редуктора. Большинство из них реверсивные: для движения задним ходом двигатель останавливают и запускают с вращением в противоположную сторону.
Почему крупные судовые двигатели имеют крейцкопфную конструкцию?
В крейцкопфном двигателе шток поршня соединён с крейцкопфом, движущимся в направляющих, а шатун связывает крейцкопф с коленчатым валом. Это снимает боковые нагрузки с гильзы цилиндра и отделяет цилиндры от картера, позволяя независимо оптимизировать цилиндровое и циркуляционное масло. Недостаток — высота: крейцкопфные двигатели значительно выше тронковых двигателей сопоставимой мощности.
Чем отличается четырёхтактный судовой дизель?
В четырёхтактном дизеле впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск выполняются отдельными тактами, поэтому рабочий ход в каждом цилиндре происходит каждый второй оборот. Клапаны в головке цилиндра управляют газообменом, а поршень соединён непосредственно с шатуном (тронковая конструкция).
Четырёхтактные судовые двигатели работают на более высокой частоте вращения и поэтому развивают большую мощность при тех же размерах и массе. Это делает их естественным выбором при ограниченной высоте и длине машинного отделения, например на паромах, судах снабжения морских платформ и буксирах. Из-за более высокой частоты вращения они обычно приводят гребной винт через понижающий редуктор, часто с винтом регулируемого шага, либо приводят генераторы в составе дизель-электрической установки.
| Характеристика | Малооборотный двухтактный | Средне-/высокооборотный четырёхтактный |
|---|---|---|
| Частота рабочих ходов | Каждый оборот | Каждый второй оборот |
| Связь с гребным винтом | Прямой привод, без редуктора | Понижающий редуктор или дизель-электрическая передача |
| Габариты на kW | Крупный и тяжёлый | Компактный |
| Топливная экономичность | Самая высокая среди судовых двигателей | Высокая, немного ниже при одинаковой мощности |
| Газообмен | Окна в гильзе и выпускной клапан | Впускные и выпускные клапаны |
| Резервирование | Обычно один главный двигатель | Часто несколько двигателей |
| Типичные суда | Океанские грузовые суда | Паромы, круизные лайнеры, буксиры, суда обеспечения морских промыслов |
Какие двигатели приводят грузовые суда, контейнеровозы и круизные лайнеры?
Грузовые суда и контейнеровозы почти всегда оснащаются одним малооборотным двухтактным двигателем, поскольку неделями идут с постоянной скоростью, а топливо составляет их крупнейшую статью эксплуатационных расходов. На круизных лайнерах обычно устанавливают несколько среднеоборотных четырёхтактных двигателей в составе дизель-электрической установки.
- Двигатель контейнеровоза — один крупный двухтактный двигатель, часто с 8–12 цилиндрами на крупнейших судах, приводящий один большой гребной винт фиксированного шага. На крупнейших контейнеровозах применялись двигатели класса RTA96-C, который в 14-цилиндровом исполнении имеет диаметр цилиндра 960 mm, ход поршня 2500 mm и номинальную мощность около 80000 kW.
- Балкер и танкер — аналогичные малооборотные двухтактные двигатели, обычно с меньшим диаметром и числом цилиндров.
- Двигатель круизного лайнера — обычно от четырёх до шести среднеоборотных двигателей, питающих общую электрическую сеть. Электродвигатели приводят валы или азимутальные гондольные движители, а число работающих двигателей выбирается по нагрузке для повышения экономичности; электроснабжение гостиничной части обеспечивается той же установкой.
- Паромы и суда обеспечения морских промыслов — средне- или высокооборотные четырёхтактные двигатели с редукторами, иногда в дизель-электрической или гибридной конфигурации.
На небольших паромах и каботажных судах применяются высокооборотные двигатели мощностью от сотен до нескольких тысяч kW. Например, SC33W1000CA2 предлагается со встроенным редуктором в диапазоне мощности 680–1100 hp; двигатели такого типа используются в проекте силовой установки пассажирского парома.
Какое топливо используют судовые двигатели и как обстоит дело с LNG?
Крупные двухтактные двигатели проектировались для работы на тяжёлом топливе, и многие по-прежнему используют его вместе со скрубберами отработавших газов, тогда как другие работают на топливе с очень низким содержанием серы или судовом газойле для соблюдения ограничений по сере приложения VI к MARPOL. Суда на LNG используют двухтопливные двигатели, способные переключаться между газовым и жидким топливом.
Двухтопливные двухтактные двигатели реализуются по двум основным схемам: впрыск газа под высоким давлением со сгоранием по циклу Дизеля и подача газа под низким давлением со сгоранием предварительно перемешанной смеси по циклу Отто с небольшой запальной порцией жидкого топлива. LNG почти полностью устраняет выбросы оксидов серы и твёрдых частиц и снижает CO2, хотя необходимо контролировать выбросы несгоревшего метана. Производители также предлагают двигатели, способные работать на метаноле, и разрабатывают конструкции на аммиаке по мере движения судоходства к целевым показателям IMO по парниковым газам.
Выбросы оксидов азота регулируются уровнями норм IMO Tier. Уровень Tier III, применяемый в установленных районах контроля выбросов NOx к судам, построенным после соответствующих дат, при работе на дизельном топливе обычно требует селективного каталитического восстановления или рециркуляции отработавших газов.
Что это означает для покупателей судовых пропульсивных двигателей меньшей мощности?
Для большинства судов меньших размеров, чем океанские грузовые суда, реальный выбор сводится к средне- и высокооборотным четырёхтактным двигателям, согласованным с судовым редуктором. Более крупные двигатели с меньшей частотой вращения обычно служат дольше при длительной нагрузке; более быстроходные экономят массу и пространство.
- На буксирах, земснарядах и тяжёлых рабочих судах двигатели класса 1000 kW, такие как главный двигатель CW6250ZLC-1N или V12 12M33C1000-15, часто сочетают с редукторами для тяжёлых условий эксплуатации.
- На рыболовных лодках и прибрежных рабочих судах обычно используются высокооборотные двигатели мощностью 100–400 kW, как описано в нашем руководстве по покупке судового дизеля.
- Номинальные режимы вспомогательных генераторных установок на любых судах определяются по ISO 8528, тогда как характеристики судовых пропульсивных двигателей обычно задаются для эталонных условий ISO 3046 с учётом режимов эксплуатации, установленных производителем.
MARS поставляет судовые пропульсивные двигатели и редукторы этих классов и может испытать двигатель перед отправкой с предоставлением письменного отчёта и видеозаписи. Чтобы сравнить варианты для судна, пришлите данные судна и режима эксплуатации.
Часто задаваемые вопросы
Какой судовой двигатель самый большой в мире?
Двухтактный 14-цилиндровый дизель RTA96-C широко упоминается как крупнейший поршневой двигатель: его номинальная мощность составляет около 80000 kW (примерно 107000 hp), а масса превышает 2300 тонн. Более новые поколения двигателей основных лицензиаров имеют сопоставимую мощность.
Почему на судах используют двухтактные двигатели?
Малооборотные двухтактные двигатели обладают наилучшей топливной экономичностью среди доступных двигателей очень большой мощности, а их частота вращения достаточно низка для прямого привода крупного гребного винта без редуктора. Для судов, длительно идущих с постоянной скоростью, это экономит топливо и упрощает установку.
С какой частотой вращается судовой двигатель?
Крупные двухтактные судовые двигатели обычно работают примерно на 60–130 rpm при номинальной мощности. Среднеоборотные четырёхтактные — примерно на 300–1000 rpm, а высокооборотные двигатели — выше примерно 1000 rpm.
Какой двигатель используется на круизном лайнере?
Большинство современных круизных лайнеров используют дизель-электрические установки с несколькими среднеоборотными четырёхтактными двигателями, приводящими генераторы, и электродвигателями или гондольными движителями, вращающими гребные винты. Некоторые новые круизные лайнеры работают на LNG с двухтопливными двигателями.
Являются ли судовые двигатели дизельными?
Большинство — да. Дизельные и двухтопливные двигатели приводят подавляющую часть мирового торгового флота, а газовые турбины, паровые турбины и аккумуляторные электрические системы применяются лишь в отдельных нишах.
