Федор Афанасьевич повышение эффективности эксплуатации главных судовых дизелей методами регулирования и диагностики топливной аппаратуры






На правах рукописи




Васькевич Федор Афанасьевич


ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГЛАВНЫХ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ МЕТОДАМИ РЕГУЛИРОВАНИЯ И ДИАГНОСТИКИ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ



Специальность 05.08.05 «Судовые энергетические установки и их

элементы (главные и вспомогательные)»
Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург – 2009

Исследования выполнены при работе автора на судомеханическом факультете Морской государственной академии имени адмирала Ф.Ф.Ушакова и при прохождении докторантуры на кафедре «Двигатели внутреннего сгорания и автоматика судовых энергетических установок» ФГОУ "Государственная морская академия имени адмирала С.О. Макарова".

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Самсонов Леонид Андреевич

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор

Байбурин Фавзей Закиевич;

- доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РФ

Мясников Юрий Николаевич;

- доктор технических наук, профессор

Русинов Ростислав Викторович.

Ведущая организация: Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота.

Защита диссертации состоится 15 октября 2009 года в 14 час. 30 мин на заседании диссертационного совета Д223.002.02 при Государственной морской академии имени адмирала С.О.Макарова по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, Васильевский остров, 21 линия, д. 14, ауд. 21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГМА им. адм. С.О. Макарова.

Автореферат разослан 01 сентября 2009 года.

Ученый секретарь совета по защитам

докторских и кандидатских диссертаций

доктор технических наук, профессор В.А. Петухов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность проблемы.



Современное судно представляет собой сложную техническую систему. Отказы этой системы могут быть вызваны разными причинами: технологическими, аварийными износами, внешними условиями. Основным условием снижения вероятности отказа судна по техническим причинам является повышение надежности эксплуатации его энергетической установки. При этом определяющим фактором является надежность работы главного дизеля (ГД), на который приходится до 45% отказов по техническим причинам.

В современных средствах и системах автоматики, управления, контроля и регулирования судовых ГД , к сожалению, не учитываются технологические погрешности изготовления элементов дизеля, а при длительной эксплуатации - изменение технического состояния топливной аппаратуры (ТА) по мере эксплуатации. В связи с этим существует проблема в диагностике, в оценке технического состояния, в методике настройки топливной аппаратуры ГД для поддержания требуемого уровня показателей дизеля в течение всего периода эксплуатации и в отсутствии научно обоснованного метода расчёта и теоретического анализа эксплуатационных параметров судовых дизелей с учётом указанных факторов. Из формулировки научной проблемы и оценки практических задач работы следует, что объектом изучения должен быть главный дизель судна, а основной предмет исследования – его топливная аппаратура.

Цель работы.



Основной целью исследований

явилась разработка и развитие теоретических положений повышения экономичности и надежности эксплуатации ГД судов за счет оперативной диагностики состояния ТА, регулировки её контролируемых параметров с учетом технологических и эксплуатационных факторов, что в конечном итоге повышает безопасность мореплавания. Для достижения этой цели были поставлены задачи [14]:

- дать научно-практическое решение проблемы регулирования и диагностики топливной аппаратуры ГД в общем виде на основе теоретического анализа процессов в топливной аппаратуре и в цилиндре дизеля;

- разработать научно-обоснованные практические методы оценки и коррекции критериев технического состояния коленчатого вала, индикаторного привода, выхлопного клапана, системы впрыска топлива с учетом технологических погрешностей их изготовления и монтажа;

- разработать научно-практическую методику эксплуатационной регулировки и диагностики топливной аппаратуры дизелей с учетом изменения ее технического состояния с течением времени при длительной эксплуатации по параметрам эксплуатационного контроля работы ГД;

- проверить эффективность разработанных методик и моделей на основе экспериментальных исследований на морских судах в эксплуатации.

Методы исследования и достоверность научных положений.



В диссертации применены общие методы научного познания, теоретического и экспериментального исследования. Достоверность практических рекомендаций установлена посредством испытаний судовых дизелей и их ТА в условиях эксплуатации. Рекомендации и выводы, содержащихся в диссертации, подтверждены: 1) корректным использованием теоретических положений математической статистики; 2) применением теории математического анализа, математической обработкой опытных данных с использованием современной контрольно-измерительной аппаратуры; 3) проверкой адекватности теоретических выводов с результатами экспериментальных исследований на судах морского флота; 4) практической реализацией рекомендаций исследований и достижением заявленной эффективности, подтвержденной актами внедрения на судах Новороссийского морского пароходства.

Научная новизна.



В результате выполненных исследований решена сформулированная выше научная проблема, в рамках которой получены научные результаты:

- разработаны теоретические основы регулирования топливной аппаратуры главных судовых дизелей в виде комплекса теоретических, организационных и технических мер, обеспечивающих эффективность и надежность работы главных дизелей при их длительной эксплуатации;

- в теорию эксплуатации судовых дизелей введено понятие «диагностические характеристики» в виде зависимости среднего индикаторного давления от активного хода плунжера;

- создана математическая модель и ее программная реализация для расчета диагностических характеристик топливной аппаратуры на основе объединенной теоретической модели, включающей в себя: 1) метод расчета системы топливоподачи и 2) метод оценки параметров рабочего процесса в цилиндре малооборотного дизеля;

- предложены теоретические зависимости для коэффициента затухания нестационарного потока в форсуночном трубопроводе;

- даны научно-обоснованные практические методы оценки критериев технического состояния коленчатого вала ГД, индикаторного привода, выхлопного клапана, системы впрыска топлива в условиях эксплуатации;

- разработана научно-практическая методика диагностики, оценки работоспособности и прогнозирования изменения технического состояния топливной аппаратуры ГД, находящихся в эксплуатации, с использованием современных средств измерения, компьютерной техники, основных параметров контроля работы дизелей на всем диапазоне режимов их эксплуатации;

- разработана и апробирована методика экспериментальных исследований, определения эффективности предложенных методов регулирования и диагностики топливной аппаратуры на основе эксплуатационных испытаний морских судов с оценкой достоверности и адекватности.

Практическая ценность.



Практическую ценность имеет предложенная в диссертации совокупность методов повышения качества регулирования и оценки уровня технического состояния ГД в целях повышение эффективности их эксплуатации, которая включает:

- методики диагностики, оценки и регулирования параметров состояния топливной аппаратуры главных судовых дизелей на основе минимального количества измерений, обеспечивающие поддержание ГД на уровне, гарантирующем безопасность мореплавания и постоянную мореходность судна;

- практическую методику выполнения регулировочных работ по топливной аппаратуре в эксплуатационных условиях с выдачей однозначных рекомендаций применительно к различным модификациям главных дизелей, её внедрение на конкретных судах морского флота, о чём имеются соответствующие положительные акты внедрения;

- нормативные документы и технические инструкции пароходных компаний для транспортных судов по эксплуатационной регулировке и доводке топливной аппаратуры ГД в условиях эксплуатации с учётом ее технического состояния.

Апробация работы.



Результаты работы внедрены на 22 судах под отечественным и зарубежном флагами: типа «Победа» (6 единиц), типа «Академик Сеченов» (4 ед.), типа «Новороссийск» (4 ед.), «Капитан Станков» (2 ед.), «Капитан Димов», «Маршал Захаров», «Грозный», современных танкерах дедвейтом 150.000 т (3 ед.). По итогам работы делались доклады на ежегодных научно-технических конференциях в Государственной морской академии имени адмирала С.О.Макарова (1999-2006 гг.), в Новороссийской морской Государственной академии имени адмирала Ф.Ф.Ушакова (1986 -2009 гг.), делались сообщения на Брянском машиностроительном заводе, в производственном объединении «Новороссийскрыбпром». О результатах исследований информировалась фирма MAN-Burmeister & Wain – основной поставщик главных судовых дизелей на международный рынок. Итоги работы включены в учебные пособия по специальности, подготовленные автором, и используются в учебном процессе при подготовке судовых инженеров и на курсах повышения квалификации судовых механиков.

Публикации.

По теме диссертации опубликованы 62 научных работы, в том числе монография и 6 учебных пособий, 11 отчетов по НИР, 44 научных статьи. В изданиях по списку ВАК опубликовано 13 работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения, перечня литературы из 132 источников, 10-ти приложений, содержит 24 таблицы, 58 рисунков - всего на 267 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


Эффективность эксплуатации морского флота определяется прежде всего коммерческими показателями, на которые может оказать решающее влияние уровень аварийности судов. В

главе 1

дается анализ состояния аварийности морского флота, рассматриваются технические аспекты и факторы безопасной эксплуатации энергетической установки судна, ставятся задачи исследования.

Ежегодно в море терпят аварии порядка 6 тысяч судов, теряется около 2000 человеческих жизней, гибнут от 100 до 200 судов. Особенно настораживают показатели аварийности отечественного морского флота. За 10 лет (с 1992 по 2002 гг.) уровень аварийности судов под Российским флагом возрос в 4 раза и продолжает расти. Если в 2002 г. зафиксировано 62 случая аварий, то в 2006 г. их общее количество составило 74. До 25% аварий определяются техническими причинами. По данным статистической отчетности Новороссийского морского пароходства, в 2000-2003 годы на главные дизели приходилось 45% от общего количества аварий по техническим причинам. При этом несоизмеримы последствия аварии главного дизеля по сравнению с выходом из строя других средств – как правило, катастрофы судов развиваются по одному сценарию, в котором присутствует потеря работоспособности главного двигателя. Это дает основание к рассмотрению главного дизеля как основного объекта, определяющего безопасность мореплавания с технической стороны.

Анализ данных о состоянии мирового морского флота на 2004 год позволил установить тип двигателя, который преимущественно используется на судах морского флота в качестве главного. Из порядка 39.000 судов мирового флота дедвейтом более 300 рег. т суда вместимостью более 60.000 т составляют 9870 единиц. На них приходится 87% тоннажа. На 92% крупнотоннажных судов (83% тоннажа мирового морского флота) установлены малооборотные дизели MAN-B&W и Sulzer. По нашим исследованиям, от 92 до 100% тоннажа ведущих судоходных компаний имеют малооборотный дизель в качестве главного двигателя (в компании Novoship UK это 100% тоннажа, в Совкомфлоте - 96%, в крупнейшей мировой судовладельческой фирме Frontline – 98%). В настоящий период развитие дизелестроения пришло к такой ситуации, когда практически 95% мировой поставки главных судовых малооборотных дизелей обеспечивается двумя производителями - MAN-B&W и Sulzer (около 70% поставок - MAN-B&W и 25% - Sulzer). В крупнейшем пароходстве России –Новороссийском морском пароходстве - на 2009 г. 83% судов оснащены малооборотными дизелями MAN-B&W и 17% - Sulzer.

На основе исследования возможных опасностей судовой энергетической установки, в которой основным объектом является главный малооборотный дизель, дан анализ категорий опасности при различных условиях эксплуатации [57]:

1) при поддержании готовности главного дизеля к пуску

по условиям порта или терминала, когда возможно возникновение как «внешней» опасности, когда судно не может дать ход при изменении внешних условий, так и создание прямых и косвенных «внутренних» опасностей;

2) при работе судна на маневрах

,

когда важнейшими категориями опасности являются отказы пуска и реверса главного дизеля;

3)

при

реверсе дизеля и торможении судна с полного хода в двух вариантах состояния системы управления машинным отделением - при вахтенном и при безвахтенном обслуживании энергетической установки, когда высока вероятность создания такой категории опасности, как обесточивание судна;

4) при плавании в штормовых условиях,

когда

возможна аварийная остановка главного дизеля системой защиты по превышению частоты вращения, по давлению масла, а также перегрузка цилиндров по параметрам тепловой и механической напряженности;

5) при работе дизеля

на режимах полного хода,

когда возникают опасности перегрузки цилиндров по параметрам механической и тепловой напряженности [33], [34], возможен помпаж турбокомпрессора для наддува дизеля и пожар в подпоршневых полостях.

Современная практика эксплуатации флота имеет примеры эксплуатации судов на «экономичных» скоростях хода. Поскольку основной фактор экономичности - это скорость судна (затраты топлива на рейс примерно пропорциональны квадрату скорости движения), сегодня в практике эксплуатации судов мирового морского флота широко практикуется принцип при выборе скорости движения: Судно должно двигаться с минимально возможной скоростью, чтобы прибыть в порт в оговоренное время [2], [8], [43]. При высоких фрахтовых ставках оптимальной скоростью является максимально возможная скорость хода при предельно допустимой частоте вращения главного дизеля по параметрам тепловой и механической напряженности.

На основании проведенного анализа был сделан вывод, что наиболее важная категория опасности с точки зрения обеспечения длительной надежной эксплуатации дизеля и безопасной эксплуатации судна – это тепловая перегрузка цилиндров ГД на режиме полного хода судна (46% отказов ГД судов типа «Победа» и «Академик Сеченов» приходилось на выгорание поршней), а с точки зрения безопасности эксплуатации на маневрах – невозможность обеспечения пуска и работы дизеля самым малым ходом.

Современный малооборотный дизель имеет достаточный запас по механической напряженности – до 20-30%. По данным исследований А.С. Трусова, запас по тепловой напряженности составляет всего 3-5%. Когда уровень энергии, подводимой к кристаллической решетке металла стенок камеры сгорания, превышает 5 электрон-вольт – имеет место деформация и разрушение кристаллической решетки. Поэтому при малейшей перегрузке цилиндра, когда тепловая напряженность превышает этот порог, происходит разрушение металла, отказы главного дизеля. Это обстоятельство выдвигает требование высокого качества регулировки дизеля, чтобы не допустить перегрузки цилиндров по тепловым напряжениям на режимах полного хода.

Анализ опубликованных рекомендаций и инструкций производителей по регулированию главных судовых дизелей показал, что эти рекомендации не гарантируют отсутствия тепловой перегрузки цилиндров. Дизель, отрегулированный в полном соответствии с методикой фирмы-строителя, не обеспечивает надежность и экономичность, заявленную фирмой, при длительной эксплуатации, поскольку при его наладке не учитываются возможные технологические отклонения изготовления и сборки узлов и изменение их технического состояния с течением времени [45].

Так, за 5 лет с начала эксплуатации танкера «Победа» отечественной постройки имели место 18 случаев выхода из строя поршней главного дизеля, 8 поршней признано негодными для дальнейшей эксплуатации; 16 случаев прогорания выхлопных клапанов и т.д. [26]. Аналогичные явления имели место на других судах. Каждый выход из строя элементов дизеля - это снижение уровня безопасности мореплавания, коммерческий брак при перевозке грузов, значительные затраты на замену деталей. Главные дизели судов, отрегулированные ведущими специалистами завода-строителя в полном соответствии с методикой фирмы, не могли дать паспортной экономичности даже на стадии приемки судна в эксплуатацию.

Анализ отказов пуска и работы главного дизеля на режимах малых ходов позволил установить, что самые негативные последствия имеют отказы системы впрыска топлива, поскольку они определяются снижением уровня технического состояния топливоподающей системы, носят длительный характер и не могут быть устранены оперативно [1], [3]. Инструкции по эксплуатации главных судовых дизелей не дают однозначных критериев, которые позволили бы своевременно оценить тот уровень снижения состояния системы впрыска топлива, дальше которого безопасность мореплавания на маневрах не гарантирована.

Таким образом, существует проблема в регулировании судовых дизелей и в оценке их технического состояния, которая может быть сформулирована следующим образом:

эффективность эксплуатации главных судовых дизелей в части обеспечения паспортных показателей экономичности, надежности их длительной работы и соответственно обеспечения безопасности мореплавания на основных режимах эксплуатации судна не гарантируется на основе существующих рекомендаций и инструкций заводов-строителей, поскольку при регулировке дизелей и контроле параметров их работы не учитываются технологические погрешности изготовления и монтажа деталей и узлов и изменение технического состояния топливной аппаратуры в процессе эксплуатации.

Для решения этой проблемы в настоящей работе поставлены основные задачи:

1) дать теоретическое обоснование решения задачи по определению работоспособности главного дизеля судна на основе его регулировочных параметров во всем эксплуатационном диапазоне режимов работы: а) выбрать и обосновать взаимную связь параметров регулирования ТНВД при различном техническом состоянии топливной аппаратуры и параметров рабочего процесса в цилиндре для построения диагностической модели; б) разработать метод расчета топливоподачи по конструктивным и регулировочным параметрам топливной аппаратуры с учетом ее текущего технического состояния; в) разработать метод, позволяющий связать закон впрыска топлива с законом тепловыделения в цилиндре и с параметрами индикаторного процесса. Как итог должна быть обеспечена возможность получения диагностических характеристик для любого дизеля на стадии его проектирования по имеющемуся набору конструктивных параметров;

2) дать практическое решение задачи оценки и коррекции работоспособности главного дизеля судна в условиях эксплуатации: а) разработать методику для определения погрешности изготовления коленчатого вала и учета этой погрешности при регулировке дизеля; б) разработать метод для регулировки индикаторного привода с тем, чтобы обеспечить систематическую погрешность индицирования менее 0.5%; в) создать метод регулировки ТНВД, который позволил бы учесть погрешности изготовления элементов насоса, был наглядным и давал возможность оценивать параметры регулирования насоса на любом произвольном режиме; г) создать метод оценки и коррекции качества работы выхлопных клапанов судовых малооборотных дизелей;

3) разработать диагностические характеристики топливной аппаратуры конкретных дизелей, находящихся в эксплуатации, с использованием минимального набора их конструктивных и эксплуатационных параметров, которые позволяли бы решать вопросы как регулировки, так и диагностики предельно допустимого ухудшения технического состояния ТА;

4) подтвердить экспериментально допустимость и эффективность использования диагностических характеристик при решении проблемы прогнозирования состояния главного дизеля и обеспечения безопасности мореплавания.

Решение этих задач позволит создать систему оценки и коррекции параметров состояния главного судового дизеля, которая повысит безопасности мореплавания за счет увеличения показателей надежности цилиндра, своевременной выбраковки топливной аппаратуры для обеспечения работы дизеля на режимах малых ходов, повысит эффективность эксплуатации за счет снижения расхода топлива.

В

главе 2

рассматривается теоретическая модель для оценки работоспособности главного дизеля судна на основе его регулировочных параметров во всем эксплуатационном диапазоне режимов его работы.

В процессе доводки на стенде завода-строителя, при сдаточных испытаниях и при эксплуатации расхождение мощности по цилиндрам дизеля на полном ходу не должно отличаться более, чем на ±2.5%. Такое расхождение мощности по цилиндрам дизеля (±2.5%) регламентируется «Правилами технической эксплуатации судовых технических средств и конструкций» (РД 31.21.30-97.СПб: ЗАО ЦНИИМФ, 1997). Равная нагрузка цилиндров с нормированным допуском расхождений обеспечивается по данным индицирования путем изменения индекса топливного насоса. Это значит – путем изменения активного хода плунжера ha , хотя такой параметр и не используется на заводах в качестве регулировочного. Если у нового, хорошо отрегулированного двигателя замерить ha, то окажется, что этот параметр будет примерно равным по всем цилиндрам.

На протяжении всего срока эксплуатации главного судового дизеля его техническое состояние поддерживается на уровне «как новый», несмотря на то, что техническое состояние топливной аппаратуры ухудшается с течением времени. Для обеспечения той же нагрузки цилиндра необходимо увеличивать индекс топливного насоса (или указатель нагрузки), т.е. ухудшение состояния системы впрыска компенсируется увеличением активного хода плунжера ha . Чем хуже техническое состояние, тем больше активный ход плунжера для обеспечения того же pmi - среднего индикаторного давления в цилиндре. Таким образом, состояние топливной аппаратуры может быть оценено двумя параметрами: активным ходом плунжера ТНВД и средним индикаторным давлением в цилиндре.

Это дает основание для оценки технического состояния топливной аппаратуры с помощью зависимостей среднего индикаторного давления от активного хода плунжера pmi=f(ha) при разном техническом состоянии системы впрыска топлива (рис.1). Семейство взаимосвязей pmi =f(ha),




Рис. 1. Схема диагностических характеристик топливной аппаратуры
предварительно построенных для различного технического состояния системы подачи топлива, может быть использовано как для диагностики ее текущего технического состояния, так и для решения задач регулирования топливной аппаратуры при ее произвольном техническом состоянии, а именно – для однозначного ответа на вопрос, насколько нужно изменить активный ход плунжера, чтобы получить требуемое среднее индикаторное давление в цилиндре. Непременным условием такого подхода является наличие регулировочной характеристики ТНВД для каждого цилиндра конкретного дизеля, позволяющей найти активный ход плунжера на любом режиме по значению индекса или указателя нагрузки насоса.

Эталонная характеристика А рис.1 соответствует техническому состоянию системы впрыска топлива, удовлетворяющему допускам и стандартам на изготовление и монтаж завода-производителя. Предположим, что при этом работа двигателя характеризуется точкой 1. При ухудшении технического состояния характеристика системы смещается вниз. При работе на характеристике В при том же активном ходе плунжера среднее индикаторное давление в цилиндре будет меньше (точка 2). Для обеспечения того же среднего индикаторного давления активный ход должен быть увеличен на величину D ha (точка 3). Кривая С соответствует предельно допустимому ухудшению технического состояния системы подачи топлива, когда цилиндр еще может дать полную мощность. Ниже этой кривой не может быть обеспечена полная мощность в цилиндре либо в цилиндре отсутствует вспышка топлива на минимальных оборотах двигателя. Работа в этой области недопустима по условиям безопасности мореплавания.

Впервые диагностические кривые в виде зависимостей pmi=f(ha) предложены автором при исполнении научно исследовательской работы по заказу Новороссийского морского пароходства в 1986 году, опубликованы в журнале «Двигателестроение» в 1989 и 1990 годах [6], [7]. Материалы исследований по регулированию топливной аппаратуры главных судовых дизелей по статическим параметрам с регулировочными характеристиками и диагностическими графиками двигателя 6L67GFCA переданы фирме Burmeister &Wain в 1990 году, о чем получено уведомление фирмы за №2400/ER/MAL от 17.09.90 г. Содержание этого письма подтверждает актуальность проблемы. Фирма подтверждает, что при доводке новых дизелей она использует подобные, но отличные от предложенных в настоящей работе методов, а для условий эксплуатации рекомендует упрощенные методики. Наши предложения – прежде всего для совершенствования регулировки дизеля в условиях эксплуатации.

Зависимости pmi=f(ha) при разном техническом состоянии элементов системы впрыска (ТНВД - форсуночный трубопровод - форсунка) носят обобщенный и универсальный характер для всех конструкций независимо от производителя топливной аппаратуры дизеля данного типоразмера. Они впервые позволили обоснованно решать вопросы безопасности мореплавания путем своевременной и обоснованной выбраковки элементов системы топливоподачи на основе текущего индицирования двигателя. О необходимости замены элементов системы впрыска топлива свидетельствует расположение точки работы цилиндра в зоне ниже кривой С (рис.1).

Функциональная блок-схема расчета диагностических характеристик pmi=f(ha) дана на рис.2. Исходными данными для расчетов являются параметры регулирования (наладки) ТНВД и скоростной режим. Техническое состояние учитывается протечками топлива Gпр у насоса и у форсунок.

tot-ne-hochet-zal-hohochet-12.html
tot-ne-hochet-zal-hohochet-13.html
tot-ne-hochet-zal-hohochet-14.html
tot-ne-hochet-zal-hohochet-15.html
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат