CC BY
84
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИМ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2018. № 3
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. № 3
УДК 621.431.74.004.13 DOI: 10.17213/0321-2653-2018-3-89-94
ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ГЛАВНОГО СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ ПО ДАННЫМ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ
© 2018 г. Ф.А. Васькевич1, С.С. Зубко2
Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова, г. Новороссийск, Россия, 2BGI V Ships Norway AS, г. Новороссийск, Россия
ESTIMATION OF THE PARAMETERS OF THE WORKING PROCESS OF THE MAIN MARINE DIESEL ENGINE ACCORDING TO THE OPERATIONAL TEST DATA
F.A. Vaskevich1, S.S. Zubko2
1Admiral Ushakov Maritime State University, Novorossiysk, Russia, 2BGI V Ships Norway AS, Novorossiysk, Russia
Васькевич Федор Афанасьевич - д-р техн. наук, доцент, кафедра «Судовые тепловые двигатели», Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова, г. Новороссийск, Россия. E-mail: [email protected]
Зубко Сергей Сергеевич - инженер, BGI V Ships Norway AS, г. Новороссийск, Россия. E-mail: [email protected]
Vaskevich Fedor Afanasievich - Doctor of Technical Sciences, Professor Assistant, department «Ship Thermal Engines», Admiral Ushakov Maritime State University, Novorossiysk, Russia. E-mail: [email protected]
Zubko Sergey Sergeevich - Engineer, BGI V Ships Norway AS, Novorossiysk, Russia. E-mail: [email protected]
Проведена оценка «внутренних» параметров рабочего цикла главного судового дизеля (коэффициента избытка воздуха на сгорание, максимальной температуры, давления и температуры в точке «Ь» цикла) на основе данных индицирования. Эти параметры никогда не определяются не только при ежемесячных индицированиях, но и при стендовых и приемных испытаниях двигателя, хотя и представляют значительный интерес для диагностики его технического состояния, обеспечения адекватности данных теоретического анализа и опытных данных, оценки экологической опасности выбросов газа. Отсутствие возможности непосредственных замеров этих параметров выдвинуло научную задачу -создать методику теоретического анализа, которая позволила бы оценить параметры по данным натурных испытаний. Такая методика была создана на базе широко известного метода анализа рабочего процесса на основе физических представлений о процессах в цилиндре дизеля и программы численного анализа, которая позволила впервые получить численные значения искомых величин. Так, было найдено: у современного дизеля коэффициент избытка воздуха на сгорание находится на уровне 2,5 -2,6 и даже выше, но никак не 1,6 - 2,0, как это дается в опубликованных источниках. Использование результатов численного моделирования на разных типах двигателей позволило установить тенденцию совершенствования их рабочих циклов, обеспечить адекватность расчетов в учебном процессе и при научных исследованиях, расширить возможности диагностирования дизеля при его эксплуатации. Для реализации последней возможности необходимо в системы технической диагностики, которыми обеспечиваются современные дизели, включать разработанную программу расчета «внутренних» параметров цикла.
Ключевые слова: главный дизель; индицирование; расчет рабочего цикла; параметры; избыток воздуха на сгорание.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
The main topic of the article is the evaluation of the "internal" parameters of the operating cycle of the main ship diesel (the coefficient of excess air for combustion, maximum temperature, pressure and temperature at point "b " of the cycle) on the basis of the indexing data. These parameters are never determined not only for monthly indications, but also for bench and receiver tests of the engine, although they are of considerable interest for diagnostics of its technical condition, ensuring the adequacy of these theoretical analyzes and experimental data, and assessing the environmental hazard of gas emissions. The absence of the possibility of direct measurements of these parameters put forward the scientific task of creating a method of theoretical analysis that would allow estimating parameters from field trials. Such a technique was created on the basis of the widely known method of analyzing the working process on the basis of physical concepts of processes in the diesel cylinder and the program of numerical analysis, which made it possible to obtain the numerical values of the unknown quantities for the first time. So, it was found: in a modern diesel engine, the air excess ratio for combustion is at the level of 2,5-2,6 and even higher, but not 1,6-2,0, as it is given in the published sources. Using the results of numerical modeling on different types of engines allowed to establish a tendency to improve their work cycles, to ensure the adequacy of calculations in the educational process and in scientific research, to expand the possibilities of diagnosing the diesel engine during its operation. To implement the latter possibility, it is necessary to include in the technical diagnostic systems that provide modern diesel engines, to include the developed program for calculating the "internal" parameters of the cycle.
Keywords: main diesel; indication; calculation of duty cycle; parameters; excess air for combustion.
Введение
Основной тип главного дизеля на современном коммерческом судне - это двухтактный малооборотный крейцкопфный дизель. Производители настолько отработали конструкцию машин, что двигатели годами работают без каких-либо неполадок, обеспечивая достаточно высокую экономичность эксплуатации. На это направлены и системы эксплуатации, имеющиеся в каждой управляющей компании или у судовладельца. Научные исследования рабочих процессов машин вместе с дальнейшим совершенствованием конструкций исполняются разработчиком конструкций. Такие исследования проводятся, в публикациях фирм сообщается о выходных параметрах новейших конструкций [1, с. 5], однако никогда не дается даже уровня «внутренних» показателей цикла, обеспечивающих эти «внешние» параметры. Производители не считают необходимым делиться результатами не только с широкой технической общественностью, но и с персоналом, обеспечивающим эксплуатацию оборудования. Инструкции по эксплуатации двигателей ведущих производителей [2 - 4] не содержат сведений - за счет каких изменений удалось обеспечить не только высокую экономичность машин, но и требования по защите окружающей среды. Эти вопросы не нашли своего отображения и в обучающих программах ведущих производителей [5]. Лишь изредка дается упоминание об изменении некоторых показателей рабочего процесса. Так, в руководстве [6, раздел 2.12, п. 1] по электронно управляемым дизелям указывается, что для исполнения совре-
менных требований по снижению содержания окислов ЫОх в выпускных газах используется прямой метод - снижение температуры сгорания. Однако, каким образом это реализуется, как можно ожидать изменение этого показателя при эксплуатации машины, - не дается. Этого нет и в программах по новейшим конструкциям [7].
В свое время на Советском морском флоте практиковались широкие исследовательские работы главных дизелей судовых силовых установок, целью которых было - обеспечить оптимальные параметры эксплуатации; в ряде случаев исследования проводились по заказу отечественного производителя - Брянского машиностроительного завода с перспективой создания собственной конструкции. В последние десятилетия всякие научные исследования силовых установок на отечественных судах прекратились - нет заинтересованности практики. Эпизодически можно встретить лишь исследования по личной инициативе.
Сложившееся положение неприемлемо прежде всего для учебного процесса - грамотная эксплуатация такого агрегата, как главный судовой дизель, не может быть обеспечена без глубокого знания сущности тех процессов, которые имеют место при работе двигателя, без знания уровня основных «внутренних» параметров и влияния этого уровня на «внешние» показатели дизеля - его надежность, экономичность, экологические показатели. К таким основным «внутренним» параметрам прежде всего следует отнести коэффициент избытка воздуха на сгорание а и определяемую этим параметром максимальную температуру цикла Т2. Параметр а можно
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
определить при специальных исследованиях путем стробоскопического отбора газов в цилиндре. Сегодня при теоретических исследованиях современных судовых дизелей коэффициент избытка воздуха на сгорание принимается равным уровню двигателей позавчерашнего дня, поскольку иные данные отсутствуют - в литературных источниках уровень изменения параметра для данного класса двигателей называется в пределах а = 1,6 - 2,0. Принятие таких исходных данных приводит к неверным выводам при оценке экономичности современного дизеля, его тепловой напряженности, условий работы элементов газораспределения, агрегатов наддува.
Методы и материалы
Попробуем оценить уровень значений коэффициента избытка воздуха на сгорание на основе методики расчета рабочего процесса Гри-невецкого-Мазинга, изложенного для учебных целей в работе [8], конкретных конструктивных соотношений современных судовых дизелей, данных приемных или стандартных ежемесячных эксплуатационных испытаний (индицирова-ний) главного дизеля. При ежемесячных испытаниях дизеля замеряются параметры, необходимые для такой оценки: п - частота вращения, об/мин; - давление воздуха в продувочном ресивере, МПа; рс - давление сжатия в цилиндре, МПа; pz - давление сгорания, МПа; р1 - среднее индикаторное давление, МПа; Ъ - температура продувочного воздуха, 0С; и - температура газов перед газовой турбиной турбокомпрессора, 0С.
На начальном этапе анализа необходимо оценить степень сжатия в в цилиндре, используя уравнение сжатия: рс=ра вп1. Откуда
8 = ) "1. Ра
(1)
Здесь П1 - показатель политропы сжатия; ра и рс - абсолютное значение давления в начале и в конце сжатия. Параметр ра при индицирова-нии не замеряется - он оценивается по величине давления продувочного воздуха в ресивере р6:
ра=рь£,а,
где ^а - относительное падение давления в точке а цикла по сравнению с продувочным ресивером.
Поскольку при индицировании обычно определяют избыточное значение давления, то к найденным параметрам ра и рс следует прибавить 0,1 МПа - давление окружающей среды. Оценив
степень сжатия в цилиндре, можно найти температуру в точке с цикла Тс, необходимую для дальнейших расчетов:
Т -Т .ри1_1
Тс ~Та в .
Начальная температура процесса сжатия Та определяется уровнем температуры в продувочном ресивере Ъ, подогревом свежего заряда от стенки цилиндра Л^т, коэффициентом остаточных газов у г и температурой остаточных газов
Та = [(Г, + 273) + Л?ст + уг • + 273)] • —^ .
1+ У г
В первом приближении величинами Л^т и у г можно задаться по выполненным исследованиям более ранних моделей, величину ^ принять равной температуре газов перед турбиной турбокомпрессора для наддува. Параметры рабочего цикла можно рассчитать, приняв в первом приближении величину коэффициента избытка воздуха на сгорание а. Применительно к топливу среднего состава эти параметры принимаются или рассчитываются как:
- теоретически необходимое количество молей воздуха на сгорание 1 кг топлива Ь = 0,495 а, кмоль/кг;
- коэффициент наполнения
Пн =
PT
а s
1
Б -1 PsTa 1 + Yr
■ (1 -V s ) ,
где - доля потерянного хода поршня (для 2-тактного дизеля обычно принимается по продувочным окнам);
- коэффициент молекулярного изменения при сгорании
Р =
, 0,0639
1 + —-+ у
а '
1 + у
средняя теплоемкость воздуха в точке с
цикла
СУс = 19,26 + 0,00251Тс, кДж/кмольК;
- средняя теплоемкость остаточных газов в точке с цикла
С,„ =
20,47 +19,26 ■ (а-1)
а
36 + 25,1 ■ (а-1) а ■ 104
Tc, кДж/кмольК;
1
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
- уравнение сгорания, позволяющее рассчитать основной параметр процесса сгорания -максимальную температуру цикла Т
ß-(1 + у г) х 20,47 +19,26 - (а-1) 36 + 25,1-(а - 1)Tz
+8,314
а -104
xTz — + (Cvc + 8,314X)TC +y r (Суг + 8,314Х)ГС.
ATZJ + BTz- C=0,
где
B —
^_36 + 25,1-(a -1)
a — ;
a -104 20,47 + 19,26(a -1)
-8,314;
C —
+ (Cvc + 8,314X)TC + lr С + 8,314X)Tc
1
Tz —
-B +
VB2
- 4 AC
2 A
P —
P 8- 1
X(p-1) -
Xp(l-T / T) 1 - T / T
n -1 x (1 -V)
n -1
Это есть квадратное уравнение вида
р(1 + у г)
В уравнении сгорания величины Х=рх/ре -степень повышения давления, ^ -коэффициент использования теплоты в точке х. В нашем случае коэффициент ^ играет роль настроечного коэффициента расчетной модели; для современных двигателей адекватность модели обеспечивается при значениях коэффициента в пределах = 0,98 - 1,0.
При решении уравнения величина Т принимается равной тому корню квадратного уравнения, который определяется прибавлением подкоренного выражения:
Найденная величина Tz позволяет рассчитать остальные параметры процесса сгорания и расширения и определить то среднее индикаторное давление цикла, которое соответствует принятому значению а:
- степень предварительного расширения p = ß Tz /(XTc);
- степень последующего расширения
5= 8/p;
- параметры в точке b цикла
рь = pz /5n2; Tb=Tz /5"2-1;
- среднее индикаторное давление «скругленного» цикла
где ^скр - коэффициент скругления, по опытным данным для режимов полной нагрузки имеющий значение: ^скр = 0,90 - 0,97 (верхние значения -для современных ДВС).
Если расчетное значение рг отличается от «экспериментального» значения выше допустимого, необходимо задаться новым значением коэффициента избытка воздуха на сгорание а и повторить расчет до получения допустимого расхождения. Таким образом, каждому расчетному значению рг соответствует одно вполне определенное значение а. При этом погрешность оценки а определяется только погрешностью исходных замеров (давление и температура продувочного воздуха, среднее индикаторное давление) и допусками при назначении исходных данных (относительное падение давления в цилиндре до момента начала сжатия, степень нагрева заряда в цилиндре, показатели политроп сжатия и расширения, величина коэффициента остаточных газов, степень приближения параметров «стандартного» топлива к его реальным значениям, их влияния на теплоемкость воздуха и газа, адекватность значения коэффициента скругления цикла и др.).
Погрешность подобного пути нахождения альфа может быть найдена в первом приближении исходя из погрешностей измерительной аппаратуры и тех границ изменения исходных данных, которые указываются в литературных источниках:
- давление и температура продувочного воздуха в продувочном ресивере с учетом замеров приборами класса 1,5;
- относительное падение давления в точке «а» цикла - коэффициент в литературе указан изменяющимся в пределах 0,9 - 0,95;
- нагрев воздушного заряда от стенок цилиндра Мт = 5 -15 К;
- границы задания показателя политропы сжатия « = 1,34 - 1,37;
- то же - политропы расширения
п2 = 1,27 - 1,32;
- величина коэффициента остаточных газов указывается в пределах уг = 0,02 - 0,15;
- коэффициент скругления задается в пределах ^скр = 0,90 - 0,97.
х
а
х
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
Результаты
Оценка уровня значений коэффициента избытка воздуха на сгорание у современных малооборотных дизелей была сделана на основе моделирования рабочего процесса главного дизеля 6S60 MC (6ДКРН 60/292.2) танкера «NS Concept» собственник - Novoship. Алгоритм и программа расчета составлены нами, инсталлированы применительно к программному обеспечению Excel доцентом ГМУ им. адм. Ф.Ф. Ушакова И.Н. Коневой [9]. Для моделирования были взяты данные заводских испытаний дизеля при приемке судна в эксплуатацию на режимах 25, 50, 75, 90, 100 и 110 % от паспортной нагрузки MCR (15400 bhp при 97 об/мин) [10]. Итоги моделирования в виде зависимостей трёх параметров: давления продувочного воздуха pk, коэффициента избытка воздуха на сгорание а и эффективного КПД дизеля Це - от уровня среднего индикаторного давления в цилиндре pi на шести расчетных режимах показано на рисунке.
Це
0,50 0,49 0,48 0,47 0,46 а 2,60 2,50 2,40 рк 0,40 0,30 0,20 0,10
1,0 1,5 2,0 pi, МПа
Рис. 1. Зависимости давления наддува pk, коэффициента избытка воздуха на сгорание а и эффективного КПД дизеля Це от среднего индикаторного давления pi, найденные по данным испытаний дизеля 6S60MC танкера «NS Concept» / Fig. 1. Dependences of the scavengine air pressure pk, air axess for fuel combustion а and Main marine Diesel engine brake efficiencyhе from the mean indicating pressure pi according to engine 6S60MC «NS Concept» trials
Как видно из рис. 1:
- давление продувочного воздуха растет практически пропорционально росту среднего индикаторного давления, имея значение от pk= 0,138 МПа при 25 % нагрузки (pt = 0,819 МПа) до pk = 0,404 МПа при 110 % нагрузки (pi = = 2,024 МПа);
- коэффициент избытка воздуха на сгорание на режимах полных нагрузок превышает
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
значение а > 2,5 (на режиме 110 % нагрузки а = 2,558), достигает максимальной величины а = 2,64 на режиме 90 % нагрузки при pi = = 1,783 МПа; на частичных нагрузках менее 50 % величина а несколько ниже 2,4. Таких высоких показателей избытка воздуха на сгорание в более ранних моделях судовых дизелей не фиксировалось;
- расчетные показатели экономичности работы дизеля достаточно близки к данным, полученным при испытаниях, что косвенно указывает на корректность оценки параметров процесса сгорания. Так, на режиме 90 % нагрузки расчетное значение эффективного КПД составило 0,495, что в пересчете дает удельный расход топлива стандартного состава ge = 127,7 г/элс-ч. По данным заводских испытаний на этом режиме удельный расход «стандартного» топлива указан как ge = 128,71 г/элс-ч. Такие расхождения корректируются настройкой расчетной модели - незначительным изменением величины коэффициента использования теплоты в точке z цикла.
Обсуждение
Полученные результаты по главному двигателю 6S60MC танкера «NS Concept» были проверены расчетами крупноразмерных двигателей того же типа на других судах. Во всех случаях итоги расчетов показателя а были идентичными. Так, для главного дизеля с электронным управлением 6S70ME-C танкера «Nordic Breeze» при нагрузках 110, 100, 90 и 75 % от паспортной величина а соответственно была найдена равной 2,543, 2,592, 2,535 и 2,491, т.е. находилась на том же уровне, что и в двигателе 6S60MC танкера «NS Concept». В то же время численное моделирование рабочего процесса по данным индици-рования главного дизеля 7K80GF танкера «Маршал Баграмян» (судна позавчерашней постройки) позволило найти значения а на скоростных режимах 111, 90 и 80 об/мин; они оказались равными 1,91, 1,854 и 1,99, что соответствует опубликованным в 70 - 80-е годы прошлого столетия данным натурных испытаний этих двигателей.
Заключение
Использование достаточно старого метода теоретического анализа рабочего процесса при многовариантных расчетах на основе численных методов позволяет получить новый научный результат - метод анализа рабочего процесса
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
дизеля с оценкой коэффициента избытка воздуха на сгорание «а» по данным «стандартных» испытаний дизеля. Насколько нам известно, этот результат получен нами впервые. Он дает возможность оценить численно ключевой параметр процесса сгорания - коэффициент избытка воздуха на сгорание а, что позволяет обеспечить адекватность расчетных и опытных данных экономичности при анализе рабочих процессов в цилиндре главного судового дизеля. При этом при использовании современных систем технической диагностики не составляет труда получить значение а при каждом индицировании цилиндра, что открывает возможность использования этого параметра не только для теоретического анализа рабочего процесса, но и для оценки технического состояния цилиндра.
Литература
1. Diesel Facts. A Technical Customer Magazine of MAN Diesel &Turbo. 3/2013, P. 12.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
2. Instructions for K/L-GFCA/GA/GBE Engines. Vol.1 Operation, Edition 31. MAN B&W Diesel A/S. Copenhagen, P. 701.02-31.
3. Man-DOOSAN 6S70ME-C8 Instruction book. Vol. 1 Operation, 624 p.
4. Wartsila Manual Electronic Instruction. Engine Type: 7RTflex84T-D. Vol. 1 Operation. Doosan Engine. 2009, 577 p.
5. Diesel Academy Engine Ttaining Course. S60MC-C Mk Project Guide Two-stroke Engines. 2nd Edition, 1999.
6. S60ME-C Project Guide. Electronically Controlled Two-stroke Engines. 1-st Edition, 2004.
7. MAN B&W G95ME-C9.2-TII Project Guide Electronically Controlled Two stroke Engines. 2014. 333 p.
8 Васькевич Ф.А. Расчеты судовых дизелей: учеб.-метод. пособие по курсовому и дипломному проектированию: 2-е изд., Новороссийск, МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2011. 100 с.
9. Васькевич Ф.А. Конева И.Н. Анализ параметров индици-рования главного судового дизеля методом численного моделирования: учеб.-метод. пос. Новороссийск, МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2017. 20 с.
10. Shop test result for Main Engine 6S60MC No.AA1912. Hyundai-MAN B&W, 2004. 19 p.
References
1. Diesel Facts. A Technical Customer Magazine of MAN Diesel &Turbo. 3/2013, p. 12.
2. Instructions for K/L-GFCA/GA/GBE Engines. Vol.1. Operation, Edition 31. MAN B&W Diesel A/S. Copenhagen, p. 701.02-31.
3. Man-DOOSAN 6S70ME-C8 Instruction book. Vol 1. Operation, p. 624.
4. Wartsila Manual Electronic Instruction. Engine Type: 7RTflex84T-D. Vol.1 - Operation. Doosan Engine. 2009, p. 577.
5. Diesel Academy Engine Ttaining Course. S60MC-C Mk Project Guide Two-stroke Engines. 2nd Edition, 1999.
6. S60ME-C Project Guide. Electronically Controlled Two-stroke Engines. 1-st Edition, 2004.
7.MAN B&W G95ME-C9.2-TII Project Guide Electronically Controlled Two stroke Engines. 2014, p. 333.
8. Vas'kevich F.A. Raschety sudovykh dizelei. Uchebno-metodicheskoe posobie po kursovomu i diplomnomu proektirovaniyu. Izd. 2-e [Ship diesel engines account. Study-methodical manual for course and diploma designing. 2-nd edition]. Novorossiisk, MGA im. adm. F.F. Ushakova, 2011, 100 p.
9. Vas'kevich F.A., Koneva I.N. Analizparametrov inditsirovaniya glavnogo sudovogo dizelya metodom chislennogo modelirovani-ya [Main ship Diesel engine indicating parameters research with the digital simulation]. Novorossiisk, MGA im. adm. F.F. Ushakova, 2017, 20 p.
10. Shop test result for Main Engine 6S60MC No. AA1912. Hyundai-MAN B&W, 2004, p. 19.
Поступила в редакцию /Received 1S апреля 2Q1S г. /April 1S, 2Q1S
