Исследование основных эксплуатационных показателей судового дизеля при его форсировании наддувом Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.43

А. Ф. Дорохов

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ ПРИ ЕГО ФОРСИРОВАНИИ НАДДУВОМ

Рассматриваются способы и результаты экспериментального исследования основных эксплуатационных показателей судового дизеля типа Ч 9,5/11 при его форсировании путём газотурбинного наддува. Определён комплекс внешних показателей двигателя при умеренной степени наддува. Установлены сравнительные температурные поля цилиндровой втулки и индикаторные диаграммы форсированного и дефорсированного вариантов двигателя. Приведены факторы, сдерживающие дальнейший рост уровня форсирования, намечены пути их нейтрализации. Работы выполнялись в совместной (Института физики Дагестанского научного центра РАН и Астраханского государственного технического университета) Лаборатории проблем моторной энергетики. Сотрудники Лаборатории форсировали тип серийного двигателя, который обладал наиболее низкими технико-экономическими показателями среди аналогичных машин. При этом были установлены нижние и верхние допустимые пределы форсирования, что позволит использовать существующие условия производства с минимумом конструкционных и технологических изменений.

Ключевые слова: форсирование, газотурбинный наддув, термометрирование, индицирова-ние, дефорсированный дизель, напряжённо-деформированное состояние, цилиндровая втулка.

Введение

Технический уровень современных и перспективных судовых дизелей базируется на высоких и сверхвысоких значениях показателей рабочего процесса, конструктивных и технологических решениях по элементам остова, цилиндропоршневой группы (ЦПГ), системы топливоподачи и по применяемым материалам [1, 2]. Такой подход обусловливает высокий объём затрат на исследования, проектирование и производство дизелей, является характерным для принципиально новых машин. Достигнутые показатели по существу являются предельными на значительную перспективу в силу конструктивных, технологических, материаловедческих и экономических ограничений. В этой связи весьма рациональным представляется направление улучшения эксплуатационных показателей, базирующееся на внедрении в производство серийных или модернизируемых двигателей известных или новых технических решений.

Описание объекта исследований

Судовые дизели типов Ч 8,5/11 и Ч 9,5/11 (в 2-х, 4-х и 6-цилиндровом исполнении) со времени своего создания в начале 50-х гг. XX в. и по настоящее время являются дефорсирован-ными и обладают весьма низкими, по сравнению с современными машинами, эксплуатационными показателями. Тем не менее они продолжают использоваться во флоте в качестве главных двигателей малых судов (служебные и разъездные катера, рыбопромысловые боты, спасательные шлюпки), а также как вспомогательные, в качестве приводов судовых электрогенераторов и различных комбинированных агрегатов. С целью улучшения эксплуатационных показателей этих двигателей, без кардинального изменения их конструкции, технологии изготовления и без замены материалов основных элементов, Лаборатория проблем моторной энергетики (ЛПМЭ) в г. Астрахани (совместной с Институтом физики Дагестанского научного центра Российской академии наук (ДНЦ РАН) и Астраханского государственного технического университета (АГТУ)) по согласованию с производителем этих типов дизелей ОАО «Завод «Дагдизель» ведет работы по форсированию дизеля 4Ч 9,5/11 по среднему эффективному давлению путём газотурбинного наддува. Ряд попыток форсировать данные двигатели, предпринятые в 70-80-х гг. XX в., по разным причинам не увенчались успехом. В настоящее время ОАО «Завод «Дагдизель» ведёт работы по созданию нового форсированного двигателя, но эти работы продвигаются очень медленно в силу различных причин. Объект исследования в ЛПМЭ - судовой дизель 4Ч 9,5/11 с двухконтурной, водо-водяной, комбинированной системой охлаждения (принудительная циркуляция теплоносителя в головке цилиндров и термосифонная в блоке)

и вихрекамерным смесеобразованием. На двигатель был установлен турбокомпрессор ТКР-6 со всеми необходимыми коммуникациями. На рис. 1 показан испытательный стенд на базе модернизированного дизеля 4ЧН 9,5/11.

Рис. 1. Испытательный стенд на базе дизеля 4Ч 9,5/11 модернизированного в дизель 4ЧН 9,5/11

Тормозным устройством являлся генератор постоянного тока П-81, нагружаемый пакетом тепловых электрических нагревателей (ТЭНов). Стенд был оборудован штатным набором контрольно-измерительных приборов. Для оценки уровня температурного состояния деталей Ц1II в цилиндровую втулку второго рабочего цилиндра были установлены 24 хромель-алюмелевые термопары. На рис. 1 показаны выводы электродов термопар во фторопластовых чехлах из блока цилиндров. На рис. 2 показана цилиндровая втулка после извлечения её из блока. Кроме втулки, термометрировался всасывающий клапан. Показания термопар регистрировались муль-тиметром МУ62.

Рис. 2. Цилиндровая втулка с установленными в ней термопарами

Для исследования и анализа внутрицилиндровых процессов стенд был оборудован измерительным комплексом для снятия индикаторных диаграмм (рис. 3).

На рис. 3 представлен разрез головки цилиндров с местом установки (вместо штатной свечи накаливания) датчика динамического давления производства ООО «Глобалтест» модели PS01.

Результаты экспериментальных исследований

Результаты экспериментальных исследований представлены в протоколах испытаний. Индикаторные диаграммы, находящиеся в файлах, созданных при помощи программного продукта Oscilloscope PCSU1000, были в соответствии с тарировочной диаграммой датчиков переведены в Microsoft Excel 2007. В результате обработки данных программой строится индикаторная диаграмма (как свернутая, так и развернутая).

Экспериментальная индикаторная диаграмма представлена на рис. 4. Для сравнения на рис. 5 показана индикаторная диаграмма дизеля Ч 9,5/11.

P, МПа

45 90 135 180 225 270 315 360 405 450 495 540 585 630 675

ф, ПКВ

Рис. 4. Развёрнутая индикаторная диаграмма двигателя ЧН 9,5/11

Рис. 5. Индикаторная диаграмма двигателя Ч 9,5/11

В табл. 1 и 2 приведены показатели рабочего процесса дизеля 4ЧН 9,5/11 при работе на режимах нагрузочной и винтовой характеристик. Номинальная эффективная мощность серийного судового вихрекамерного дизеля 4Ч 9,5/11 - 22 кВт при частоте вращения коленчатого вала 1500 мин-1 и удельном эффективном расходе топлива 0,279 кг/(кВт • ч). Эффективная мощность дизеля 4ЧН 9,5/11 составляет 27 кВт (п = 1500 мин-1) при удельном эффективном расходе топлива 0,24 кг/(кВт • ч). Мощность в 27 кВт была принята по соображениям поддержания на приемлемом уровне внешних показателей двигателя - температуры; давления воды и масла; температуры отработавших газов; температуры цилиндровой втулки и клапанов, при его исходной серийной комплектации. Фактически дизель развивал мощность 30 кВт и больше, но при этом стали проявляться дефекты, связанные с недостаточной жёсткостью элементов остова, недостаточной производительностью насосов системы охлаждения, и другие факторы.

Таблица 1

Показатели двигателя на режимах нагрузочной характеристики

Показатель Режим

Холостой ход 25 % 50 % 75 % 100 %

Эффективная мощность Ые, кВт 0 6,75 13,5 20,3 27

Среднее эффективное давление ре, МПа - 0,17 0,34 0,52 0,69

Часовой расход топлива Gm, кг/ч 1,46 2,39 3,56 4,75 6,5

Удельный эффективный расход топлива gе, кг/(кВт • ч) - 0,354 0,264 0,234 0,24

Таблица 2

Показатели двигателя на режимах винтовой характеристики

Показатель Режим

50 % 75 % 100 %

Частота врашения п, об/мин 1 190 1 360 1 500

Эффективная мощность Ые, кВт 17 22,4 27

Среднее эффективное давление ре, МПа 0,549 0,633 0,687

Часовой расход топлива Gm, кг/ч 3,67 4,77 6,5

Удельный эффективный расход топлива gе, кг/(кВт • ч) 0,216 0,213 0,240

Анализ результатов исследований

Результаты термометрирования цилиндровой втулки исследуемого дизеля в форсированном и дефорсированном вариантах представлены на рис. 6.

\

Без наддува С наддувом

270 260 250 240 230 220 210 200 190 180 170 160

Температура, °С

Рис. 6. Показания термопар 1-6 (со стороны 1-го цилиндра)

Показания термопар свидетельствуют о значительном превышении температурного уровня цилиндровой втулки форсированного дизеля перед дефорсированным вариантом. Для сравнения брались результаты ранее проведённых исследований данных типоразмеров дизелей [3, 4]. При этом, как и ожидалось, температурное поле, особенно в верхних поясах термопар, представляет собой односторонне вытянутый эллипс, большая ось которого находится в плоскости качания шатуна и направлена в сторону вихревой камеры (показания термопар 7-12) (рис. 7).

к я 0 ср

о с rt

ч о

X

о я л

ч

S

н

о >у

a

:

_ _ _

_ jf 1

s

—

■ 1

i 1

i 1

_

\

-н н- i

;

Без наддува С наддувом

270 260 250 240 230 220 210 200 190 180 170 160

Температура, °C

Рис. 7. Показания термопар 7-12 (со стороны вихревой камеры)

Это должно привести к значительной деформации не только цилиндровой втулки, но и всей ЦПГ, что, в свою очередь, приведёт не только к ухудшению показателей рабочего процесса, но и к резкому возрастанию интенсивности изнашивания деталей ЦПГ, а следовательно, и к непрогнозируемому снижению ресурса двигателя (рис. 8-9).

: ■ :

_

: _

Без наддува С наддувом

170 180 190 200 210 220 230 240

Температура, °C

Рис. 8. Показания термопар 13-18 (со стороны 2-го цилиндра)

Без наддува С наддувом

160 170 180 190

200 210 220 230

Температура, °C

240 250 260 270

Рис. 9. Показания термопар 19-24 (со стороны выхлопного коллектора)

В то же время знание температурных полей позволит решить задачу стационарной теплопроводности посредством разработки математической модели теплопередачи через стенку цилиндровой втулки [5], а решение этой модели даст значения и распределение тепловых потоков, общих количеств теплоты и выявит скрытые источники теплоты. Эти данные позволят получить общую эпюру тепловых потоков и дадут возможность принять решение о правильной организации движения теплоносителя в системе охлаждения с целью снижения неравномерного напряжённо-деформированного состояния ЦПГ.

Заключение

В ходе испытаний дизеля 4ЧН 9,5/11 с повышенным уровнем форсирования (при значениях мощности 30 кВт и выше) выявлен ряд факторов, требующих внесения конструкционных изменений в элементы и системы двигателя. Было установлено нарушение плотности газового стыка головки и блока цилиндров из-за недостаточной жёсткости днища головки в виде его прогиба, а также превышение температурного уровня теплоносителя системы охлаждения и масла в системе смазки и падение давления в обеих системах. Сотрудники ЛПМЭ знают направления решения возникших проблем, но это требует согласования с производителем дизелей ОАО «Завод «Дагдизель» и с Институтом физики ДНЦ РАН как с соучредителем Лаборатории.

Работы по исследованию показателей форсированного дизеля велись под научным и организационным руководством профессора А. Ф. Дорохова. Основными исполнителями работ являлись: ведущий инженер Лаборатории К. К. Колосов, инженер А. И. Чернов, инженер В. В. Шахов, заведующий лабораторией кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники» Астраханского государственного технического университета Е. А. Малютин. Консультантом по отдельным вопросам исследований стал заведующий отделом физико-технических проблем машиноведения Института физики ДНЦ РАН профессор М. М. Абачараев.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Конкс Г. А. Мировое судовое дизелестроение / Г. А. Конкс, В. А. Лашко // Концепции конструирования, анализ международного опыта. М.: Машиностроение, 2005. 512 с.

2. Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания / И. В. Возницкий, А. С. Пунда. М.: МОРКНИГА, 2008. Т. 1. 283 с.

3. Дорохов А. Ф. Температурное состояние деталей ЦПГ малоразмерного дизеля при различных способах смесеобразования / А. Ф. Дорохов. Двигателестроение. 1980. № 4. С. 15-18.

4. Дорохов А. Ф. Температурное состояние ЦПГ судовых малоразмерных дизелей / А. Ф. Дорохов, В. Н. Бочкарев. Двигателестроение. 1986. № 11. С. 51-52.

5. Дорохов А. Ф. Анализ теплопередачи через стенку цилиндра судового вспомогательного дизеля / А. Ф. Дорохов. Двигателестроение. 1987. № 6. С. 6-8.

Статья поступила в редакцию 20.08.2014

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Дорохов Александр Федорович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук; профессор; профессор кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; [email protected].

A. F. Dorokhov

STUDY OF THE MAIN OPERATONAL PARAMETERS OF MARINE DIESEL WHILE ITS POWER BOOSTING

Abstract. The methods and the results of experimental investigation of the main operational parameters of marine diesel engine Ч 9.5/11 while its gas-turbine power boosting are studied. The complex of outside parameters of diesel engine at moderate degree of boosting is determined. The comparative temperature ranges of cylinder liners and the indicated diagrams of uprated and derated diesel engines have been fixed. The factors restraining further growth of forcing level have been resulted in and the ways of their neutralization have been marked. All the works were carried out in joint motor power-engineering Laboratory of Institute of Physics of Dagestan Scientific Center of Russian Academy of Sciences and Astrakhan State Technical University. The Laboratory's staff have been forced the serial engine's model, which possessed the lower technical and economical indices between similar engines. At the same time upper and lower possible limits of boosting were determined and it will allow using the existing conditions of production with minimum of constructive and technological modifications.

Key words: boosting, gas-turbine boosting, thermometrical measuring, indicating, derated diesel engine, tensely-strained and deformed state, cylinder liner.

REFERENCES

1. Konks G. A., Lashko V. A. Mirovoe sudovoe dizelestroenie [World marine diesel construction]. Kont-septsii konstruirovaniia, analiz mezhdunarodnogo opyta. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2005. 512 p.

2. Voznitskii I. V., Punda A. S. Sudovye dvigateli vnutrennego sgoraniia [Marine internal combustion engines]. Moscow, MORKNIGA Publ., 2008. Vol. 1. 283 p.

3. Dorokhov A. F. Temperaturnoe sostoianie detalei TsPG malorazmernogo dizelia pri razlichnykh sposo-bakh smeseobrazovaniia [Temperature state of details of cylinder-piston group of small-sized diesel at various ways of mixture formation]. Dvigatelestroenie, 1980, no. 4, pp. 15—18.

4. Dorokhov A. F., Bochkarev V. N. Temperaturnoe sostoianie TsPG sudovykh malorazmernykh dizelei [Temperature state of cylinder-piston group of marine small-sized diesel engines]. Dvigatelestroenie, 1986, no. 11, pp. 51-52.

5. Dorokhov A. F. Analiz teploperedachi cherez stenku tsilindra sudovogo vspomogatel'nogo dizelia [Analysis of heat transfer through cylinder wall of the marine auxiliary diesel engine]. Dvigatelestroenie, 1987, no. 6, pp. 6-8.

The article submitted to the editors 20.08.2014

INFORMATION ABOUT THE AUTHOR

Dorokhov Alexander Fedorovich — Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department "Shipbuilding and Marine Engineering Energy Complexes"; dorokhovaf @rambler.ru.