CC BY
74
УДК 629.5.03-192.008
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ДИЗЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК СУДОВ ВНЕДРЕНИЕМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ИХ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА
Иванченко А.А., д.т.н., профессор, кафедра «Двигателей внутреннего сгорания и автоматики судовых энергетических установок», ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова», e-mail: kaf_seu@gumrf.ru Тамбовский Ю.В., технический директор, ООО «Нева ХАГЕН», e-mail: kaf_seu@gumrf.ru Иванченко А.А., старший инженер, Российский морской регистр судоходства, e-mail: kaf_seu@gumrf.ru
Выполнен анализ перспективных направлений развития судовой энергетики. Отмечено, что одними из важнейших направлений ее развития является создание, внедрение и развитие на морском, рыбопромысловом и речном флотах энергосберегающих и ресурсосберегающих технологий. Важнейшим фактором в разработке указанных технологий в рассматриваемом разрезе стало внедрение и развитие информационных технологий и микропроцессорной техники, расширение сферы их применения для решения самых разнообразных проектных и эксплуатационных задач. Причем эта тенденция не могла оставить без внимания операторов дизельных установок морских и речных судов, находящиеся в эксплуатации, где одно из важных мест занимает назначение наиболее рациональных режимов работы, обеспечение высокого уровня технического состояния двигателей для поддержания необходимых технико-экономических, эффективных и экологических параметров.
Ключевые слова: судовые энергетические установки, диагностика и мониторинг технического состояния, дизель
IMPROVING THE QUALITY OF DESIGN AND OPERATION OF DIESEL VESSEL INSTALLATIONS BY INTRODUCING THE MATHEMATICAL MODELING OF THEIR
WORKING PROCESS
Ivanchenko A., Doctor of Technical Sciences, Professor, Engines of internal combustion and automation of marine power plants chair, FSEI HE «Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping», e-mail: kaf_seu@gumrf.ru Tambovskiy Y., Technical Director, Neva HAGEN LLC, e-mail: kaf_seu@gumrf.ru Ivanchenko A., Senior Engineer, Russian Maritime Register of Shipping, e-mail: kaf_seu@gumrf.ru
The analysis ofperspective directions of development of ship power engineering is made. It is noted that one of the most important directions of its development is the creation, introduction and development of energy saving and resource-saving technologies in the marine, fishing and river fleets. The most important factor in the development of these technologies in the section under consideration was the introduction and development of information technology and microprocessor technology, the extension of their scope for solving a wide variety of design and operational tasks. Moreover, this trend could not disregard the operators of diesel installations of sea and river vessels in operation, where one of the most important places is the designation of the most rational operating modes, ensuring a high level of technical condition of the engines to maintain the necessary technical, economic, efficient and ecological parameters.
Keywords: ship diesel engine, diagnostics, monitoring system, technical condition.
1. Введение (Introduction)
Одним из важнейших направлений развития технической эксплуатации флота на современном этапе является создание, внедрение и развитие на морском, рыбопромысловом и речном флотах энергосберегающих и ресурсосберегающих технологий [1].
Необходимость решения рассматриваемых задач определяется нарастанием противоречия между увеличением сложности судовых энергетических установок и уменьшением численности судовых экипажей. В конечном итоге и одно, и другое связано со стремлением судовладельцев обеспечить конкурентоспособность судна на фрахтовом рынке. Увеличение сложности механических установок судов в первую очередь определяется стремлением к повышению их экономичности и надежности, т.е. к снижению топливной и ремонтной составляющих эксплуатационных расходов, к снижению расходов на страхование судна и к уменьшению риска огромных убытков от последствий аварий из-за отказов СЭУ. В свою очередь, сокращение численности экипажа позволяет существенно уменьшить эксплуатационные расходы за счет экономии средств на его содержание, что требует автоматизации и информатизации всех процессов функционирования энергетической установки судна и, в первую очередь, внедрения систем мониторинга и диагностирования технического состояния ее элементов [2-5].
Анализ и обобщение международного и российского опыта создания и модернизации современных дизельных установок перспективных судов предлагает своё следующее видение современных принципов проектирования судовых энергетических установок и развития судостроения. Это, во - первых, должен быть обоснованный выбор основных выходных и конструктивных параметров базовых двигателей энергетической установки судна (агрегатная мощность, частота вращения, диаметр цилиндра и ход поршня, число цилиндров и их расположение, среднее эффективное давление р максимальное давление сгорания рг, а также оптимальные топливная и масляная
экономичность, ресурс, надежность и др.) на этапах разработки технического задания, технического предложения и окончательного проекта. На этих этапах проектанты имеют дело со стандартной мощностью по стандарту ИСО 3046, удельным расходом топлива ИСО и удельным расходом смазочного масла ИСО рассматриваемого двигателя при этой "условной мощности". Эти параметры производители дизелей объявляют в технических условиях, преследуя рекламные цели: продемонстрировать совершенство конструкции собственно дизеля и его технических характеристик в условиях ограниченной комплектации, вне которой использование дизеля невозможно. При этом указываются стандартные исходные условия работы, определяемые условиями окружающей среды. Объявленные при этих условиях значения мощности, удельного расхода топлива и смазочного масла производителем дизелей отличаются от реальных значений ввиду существенных отличий комплектации реальных установок, так и климатических условий реальных районов эксплуатации судна. Это делает не обоснованным использование при нормировании заявленного в ТУ на поставку расхода топлива либо других паспортных характеристик и эксплуатационных показателей при эксплуатации судов в отличных от стандартных условий климатических районах земного шара [6, 7].
Определяющими факторами при выборе базового дизеля являются наличие запаса мощности по показателям тепловой и механической напряженности деталей ЦПГ, а также конструктивные решения по устройствам топливоподачи, системам автоматического регулирования частоты вращения, температуры воды, масла и наддувочного воздуха, решения по включению подсистем мониторинга и диагностирования технического состояния механических установок в систему комплексной автоматизации СЭУ. Этих принципов безоговорочно придерживаются все без исключения ведущие мировые производители судовых дизельных двигателей и специалисты в области их технической эксплуатации. К важнейшим особенностям
проектирования современной судовой энергетической установки относится в этом плане обеспечение минимальных капиталовложений и стоимости жизненного цикла установки в результате внедрения CALS-технологий на всех этапах ее жизненного цикла [8 - 11].
2. Методы и Материалы (Methods and Materials).
Важнейшим фактором в разработке указанных технологий в рассматриваемом разрезе стало внедрение и развитие информационных технологий и микропроцессорной техники, расширение сферы их применения для решения самых разнообразных эксплуатационных задач. Причем эта тенденция не могла оставить без внимания операторов дизельных установок морских и речных судов, находящиеся в эксплуатации, где одно из важных мест занимает назначение наиболее рациональных режимов работы, обеспечение высокого уровня технического состояния двигателей для поддержания необходимых технико-экономических, эффективных и экологических параметров.
Известно, что в процессе эксплуатации судовых ДВС постоянно приходится планировать и оценивать энергоэффективность судна, для чего требуется объективная информация по эффективной мощности и расходу топлива главных и вспомогательных двигателей. При этом важно учитывать изнашивание и отказы их конструктивных элементов, которые приводят к ухудшению рассматриваемых показателей работы. Соответственно важная роль в обеспечении объективного контроля и исправного состояния двигателей, в своевременном выявлении отклонения параметров работы двигателя принадлежит информационным технологиям, лежащим в основе подсистем контроля и технического диагностирования [9, 10, 27, 30].
Анализ неисправностей судовых двигателей внутреннего сгорания показывает, что наиболее частые отказы связаны с элементами цилиндропоршневой группы (ЦПГ), механизма, газораспределения, системой топливоподачи и отклонения в их работе отражаются на протекании индикаторного процесса. Поэтому для выявления основных закономерностей протекания рабочего процесса СДУ в процессе эксплуатации и установления взаимосвязи между параметрами технического состояния конструктивных элементов двигателя и его диагностическими признаками в системе автоматизации СЭУ предусмотрен контроль комплекса показателей рабочего процесса в цилиндрах и обслуживающих системах двигателей. Причем следует отметить, что в настоящее время не на всех современных судах с высоким уровнем автоматизации системы контроля позволяют получить достаточный для решения рассматриваемых задач объем информации по рабочему процессу двигателей. Это связано, как правило, с определяющими число контролируемых параметров-мощностью и частотой вращения его двигателей и возможностью применения переносных диагностических систем.
В настоящей статье рекомендуется использовать для решения рассматриваемых задач метод математического моделирования рабочего процесса ДВС. Опыт использования методов математического моделирования рабочих процессов в цилиндрах и системах двигателей имеется в промышленности для решения подобных задач при создании и доводке двигателей [12-19].
История решения указанных задач началась с разработки классического метода теплового расчета, который вошел в историю двигателестроения под названием «Метод Гриневецкого - Мазинга». Разработанный еще в 1906 году, он сыграл большую роль в изучении действительных циклов ДВС и до настоящего времени сохранил свое значение в инженерной практике и в учебном процессе, как упрощенный метод расчета основных показателей рабочих процессов двигателя.
Однако для углубленных исследований рабочих процессов дизеля, для целей объективного контроля рабочих параметров и диагностирования этот метод оказался неприемлемым вследствие большого количества допущений, принятых при его разработке. Например, процесс сгорания заменяется изохорным и изобарным процессами подвода теплоты, характер тепловыделения оценивается эмпирическими коэффициентами использования теплоты, процессы сжатия и расширения считаются политропическими с постоянными показателями политроп, процессы газообмена заменяются изохор-ным процессом отвода теплоты.
Современный судовой ДВС - это преимущественно дизель с газотурбинным наддувом. Рабочие процессы в цилиндре дизеля и в турбокомпрессоре взаимосвязаны и взаимозависимы, что не учитывает метод Гриневецкого - Мазинга. Этим методом невозможно определить характер изменения основных параметров рабочих процессов дизеля по углу поворота кривошипа в зависимости от
динамики тепловыделения, теплообмена со стенками цилиндра и регулировочных параметров. Все это потребовало разработки математических моделей рабочих процессов, позволяющих учесть данные факторы и оценить их влияние на характер протекания рабочих процессов, на экономичность и надежность дизеля. При этом на практике нашли применение два подхода, реализованных в математических моделях: метод объемного баланса, разработанный Н.М. Глаголевым, и метод энергетического баланса, разработанный Б.М. Гончаром [14, 15].
В основу метода оценки параметров двигателей в условиях их эксплуатации в составе энергетической установки судна авторами положен метод Б.М. Гончара, нашедший отражение в работах СПГУВК и ЦНИДИ [14-19]. Процессы в рабочем цилиндре в реализованной модели описаны общепринятой системой дифференциальных уравнений: первого закона термодинамики, законов сохранения масс компонентов рабочего тела и уравнения состояния:
dQ=dU+dL,
ёО' = г 'вп^Овп-т'вып^Овып-т'ут^Оут^о^Осг, dG"= г"вп-ёОвп-г''вып-ёОвып-г"ут-ёОут + (Lо + 1)-ёОсг, р-У= О-Я-Т
где индексы ', '' относятся соответственно к свежему зарядуи чистым продуктам сгорания топлива, "вп, вып, ут"- к газу, проходящему через впускные и выпускные органы газораспределения, неплотностицилиндро-поршневой группы, "сг"- к сгоревшей массе топлива;О- масса рабочего тела, (кг), определяемая, как О = О'+ О'', р, Т, V- давление (МПа), температура (К) и текущий объем цилиндра (м3);Г = О' /О- массовая доля '-го компонента рабочего тела;Я- газовая постоянная (кДж/кгЧК); Lo теоретически необходимое количество свежего заряда для сгорания 1 кг топлива (кг возд/кг топл).
Скорость подвода теплоты к газу в цилиндреdQопределяется для сгорания топлива (массой dGсг ) при наличии теплообмена от стенок в процессе - dQw, потерь тепла с впускными (массой dGвп) и выпускными (массой dGвып ) газами;с учетом утечек газа через зазоры цилиндро-поршневой группы (массой dGуm) из уравнения:
dQ = Qн■dGсг + dQw + 'вп■dGвп-'вып■dGвып-'уm■dGуm + 'впг-Овпг ,
где: Qн- низшая теплота сгорания топлива (кДж/кг); 1 - удельная энтальпия (кДж/кг);
Затраты тепла на подогрев и испарение жидкого топлива, на диссоциацию молекул СО2 и Н2О, изменение величины низшей теплоты сгорания от температуры газа не учитываются в связи с тем , что погрешность расчёта при этом не превышает 1-2%.
dU изменение полной внутренней энергии смеси газов: dU = d(u■G) = О^ы + ы^О = СУ-О^Т + ы^О, где:Су, ы- удельные теплоёмкость (кДж/кгЧК) и внутренняя энергия (кДж/кг); L- работа, совершаемая газом (кДж): dL=p■d Скорость сгорания топлива: dGсг=qц■dх
где qц- цикловая подача топлива (кг/цикл); х = Осг^ц- относительное количество сгоревшего топлива; Осг- масса выгоревшего топлива (кг).
Для определения динамики тепловыделения рассмотрена возможность использования: уравнения Б.М.Гончара [15], уравнения И.И. Вибе [20], Лазарева [24], Одинцова В.И [23] и др. Теплоот-вод в стенки поршня, крышки и втулки определяется по уравнению Ньютона-Рихмана. Расход газа через органы газораспределения, гидравлические потери на входе в компрессор,гидравлические потери в воздухоохладителе, процессы в выпускном коллекторе двигателя с наддувом описываются в соответствии с рекомендациями работы [14, 15].
Состав атмосферы в машинном отделении на впуске в двигатель задается в исходных данных в виде 5-ти компонентной искусственной газовой смеси с произвольной концентрацией компонентов
02а + К," + С02а + Н2Оа + Лга = 1 м3,
где 02а, N2*, С02а, Н20а, Лга- объемные доли соответственно кислорода, азота, двуокиси углерода, водяного пара, аргона.
Элементарный состав 1 кг дизельного топлива:
Ср + Н2р + 02р+ №+ 8р= 1 кг
где: Ср, н2р, 02р, 8р- весовые доли соответственно углерода, водорода, кислорода, воды, серы.
Удельные внутренние энергии смеси газов зависят от температуры и состав газа. Для их определения используем формулы, полученные путем аппроксимации данных таблиц Вукаловича,
теплота сгорания дизельного топлива (кДж/кг) определяется по формуле Д.Н.Менделеева.[14, 15, 22].
Методические приемы численного моделирования рабочего процесса д.в.с., методика обеспечения адекватности результатов расчетных исследований и экспериментальных данных, описание входных данных, описание выходной информации по текущие параметры цикла, параметрам рабочего процесса за цикл и параметры системы наддува соответствовали описаниям работы [14, 15, 19, 22]. Применительно к решению эксплуатационных задач эта методика и алгоритм программы численного моделирования рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания, развит в работах авторов [25, 26].
- для обеспечения адекватности расчетных и экспериментальных данных предварительно проводится настройка математических моделей на объективные данные испытаний рассматриваемого дизеля на стенде завода изготовителя или в ходе ходовых испытаний на судне. По результатам натурных испытаний: подбираются постоянные коэффициенты уравнений для тепловых, гидравлических и механических потерь, которые используются при проведении расчётных исследований.
В программе моделирования предусмотрены ряд возможностей для настройки математических моделей рабочего процесса:
1.Обеспечение максимального давления цикла путем подбора угла опережения подачи топлива
2. По заданной величине периода задержки воспламенения на одном из режимов работы дизеля ( обычно номинального ) определяется постоянная величина в формуле ( для периода задержки воспламенения. В дальнейших расчетах эта постоянная используется для определения периода задержки воспламенения в зависимости от протекания параметров рабочего процесса.
3. Определение проходного сечения соплового аппарата турбины MFT при балансировке мощностей турбины и компрессора по заданным величинам давления, температуры наддувочного воздуха и к.п.д. агрегатов наддува. При задании величины MFT определяются давление и температура наддувочного воздуха при моделировании режимов работы двигателя в зависимости заданных условий, конструктивных и регулировочных параметров.
4. В формуле для определения механических потерь предусмотрена зависимость среднего давления потерь на трение и привод вспомогательных механизмов от частоты вращения двигателя, температурного состояния деталей, среднего давления в цилиндре. При настройке математической модели подбирается величина постоянного множителя, которая используется для определения механических потерь на трение и привод вспомогательных механизмов в дальнейших расчетах.
5. Программой предусмотрено определение постоянных в уравнениях для аэродинамических потерь на всасывании компрессора, газодинамическихв выпускном трубопроводе за турбиной, в выпускном коллекторе, аэродинамических потерь в холодильнике воздуха по соответствующим данным номинального режима, что позволяет находить величины указанных потерь на других режимах работы двигателя.
6. Определение постоянных в уравнениях для тепловых потерь в рабочих полостях двигателя (от газа в охлаждающую жидкость через поршень, крышку и втулку, в выпускном коллекторе, в воздухоохладителе) по данным режима настройки дает возможность находить температуры деталей и тепловые потери на других режимах моделирования и при других условиях протекания параметров рабочего процесса.
Таким образом, основываясь на опыте применения математических моделей можно сделать заключение, что программа численного моделирования позволяет определять в условиях судна:
- текущие давления и температуры газа в цилиндре и выпускном коллекторе у турбины и цилиндра;
- среднее индикаторное и среднее эффективное давления, давление насосных потерь, среднее давление механических потерь на трение, цилиндровую мощность;
- удельные эффективный и индикаторный расход топлива;
- расход воздуха;
- период задержки воспламенения;
- средние за цикл давления и температуры газа в выпускном коллекторе у турбины и цилиндра, на выходе из турбины, на входе в цилиндр с учётом забросов газа из цилиндра, воздуха за компрессором;
- средние температуры стенок поршня, крышки и втулки;
- количество тепла, отведенное за цикл в стенки цилиндро -поршневой группы, и количество тепла, унесённое с выпускными газами;
- удельный выброс окислов азота и др. параметры.
На основании изложенного можно констатировать:
- методика и программа численного моделирования рабочего процесса дает возможность проводить расчетные исследования двигателей на различных режимах работы ( по нагрузочной и винтовой характеристикам и др.), при изменении конструктивных и регулировочных параметров двигателя: степени сжатия, фаз газораспределения, угла опережения подачи топлива, объема выпускного коллектора и др., с учетом гидравлических и тепловых потерь в рабочих полостях, к.п.д. турбины и компрессора, температуры и давления окружающей среды, состава воздуха на впуске и состава топлива.
После настройки математических моделей возможно проведение расчётных исследований на различных режимах работы двигателя в условиях судна в соответствии с поставленной задачей исследований.
Для настройки математической модели на данные машинного журнала на судне рассматривались параметры, используемые для выставления двигателя в условиях судна на режим испытаний [25]:
- по температуре выпускных газов в выпускном коллекторе и частоте вращения;
- по среднему индикаторному давлению в цилиндре;
- по часовому расходу топлива;
- по крутящему моменту и частоте вращения;
- по максимальному давлению сгорания и температуре выпускных газов в коллекторе;
- по давлению наддувочного воздуха и частоте вращения;
- по среднему давлению газа в цилиндре и др.
Каждый из рассмотренных методов в литературе характеризуется своими недостатками, которые оказывают существенное влияние на адекватность реализующейся на выставленном режиме мощности требуемую достоверность определения других параметров его работы. В связи суказанным применение метода численного моделирования рабочего процесса дизеля с использованием реализованной математической модели и программы представляло определенный интерес [26].
Таким образом, описанная методика и программа численного моделирования рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания позволяет определять параметры работы двигателя в различных условиях эксплуатации. Важной особенностью методики является получение достоверных расчётных данных благодаря тому, что после настройки моделей по результатам натурных испытаний двигателя (нового или после ремонта) с учётом атмосферных условий (давления, температуры, влажности), противодавления на выпуске (с учётом загрузки судна, волнения и др.), некоторых неисправностей двигателя (изменение сопротивлений на входе воздуха в компрессор, в трубопроводе после турбины, в холодильнике воздуха, износа ци-линдро - поршневой группы и др., которые отличаются от условий проведения натурных испытаний двигателя на стенде.
Всё указанное обеспечивает получение функциональных зависимостей между параметрами работы двигателя и его мощностью при различных условиях эксплуатации. Следовательно, задание параметров, например, температуры выпускных газов перед турбиной и частоты вращения или среднего индикаторного давления, или часового расхода топлива и др. позволяет после проведения расчёта по программе определить мощность и др. параметры двигателя в условиях эксплуатации с учётом их особенностей.
3. Результаты и их обсуждение (ResultsandthierDiscussion),
Апробация модели производилась с использованием данных подконтрольной эксплуатации главных дизелей теплохода "Бахте-мир" 8ЧРН 24/36. Рассмотрение влияния параметров окружающей среды показало, что при изменении температуры окружающей среды от 263 К (-10 С) до 323 К (+50 С) мощность дизеля изменялась на ~±11%, расход топлива на ~±1,5%. Моделирование проводилось двумя способами: 1. при постоянной заданной мощности; 2 - при постоянной заданной температуре газа в выпускном коллекторе перед турбиной.
В первом случае результаты моделирования позволили определить параметры работы дизеля в различных условиях эксплуатации при обеспечении заданной мощности, в том числе величины параметров за пределами допустимых. Во втором случае результаты
моделирования позволяют определить параметры работы двигателя при условии обеспечения заданной температуры выпускных газов (или других выше указанных параметров), а также оценить величину ошибки, если условия эксплуатации отличаются от условий стенда, при которых определены базовые параметры дизеля.
Моделирование при различных температурах окружающей среды при изменении температуры Та от 263 К (-10 С) до 323 К (+50 С) показало:
-при постоянной мощности: температура выпускных газов изменяется на ~23%, расход топлива на ~9,9%, коэффициент избытка воздуха на~ 37%, продолжительность горения топлива Fz на ~23%;
-при постоянной заданной температуре выпускных газов Tg=787 К мощность дизеля изменяется на 30%;
В качестве другого важного параметра, как правило, отличающегося от значений стендовых, рассмотрено влияние противодавления выпуску (Рвып - давление газа за турбиной). Результаты моделирования позволили оценить величину ошибки, которая может быть, если параметры дизеля в стендовых и условиях эксплуатации не совпадают. Расчетом установлено, что изменение Рвып от 0,0981 до 0,11036 МПа (0,981. ..1,1бар) ведёт к :
-при постоянной мощности ведет к увеличению температуры выпускных газов на ~30%, расхода топлива на ~8,1%;
-при постоянной температуре выпускных газов мощность, развиваемая дизелем уменьшается на ~72%.
Такое изменение параметров дизеля при изменении противодавления выпуску по отношению к паспортным значениям является результатом увеличения насосных потерь. Следовательно изменение противодавления выпуску может оказать существенное влияние на правильность выставления дизеля на режим испытаний, достоверность определения мощности и других параметров дизеля в условиях эксплуатации.
Следующим параметром, влияние которого исследовалось, является износ цилиндро - поршневой группы, который всегда происходит при эксплуатации дизеля. Из опыта известно, что в результате этого увеличиваются утечки газа из камеры сгорания, что приводит к изменению функциональных зависимостей между мощностью дизеля и параметрами его работы. Величина этих утечек газа из камеры сгорания в модели учтены двумя показателями: F^r, представляющему собой площадь проходного сечения неплотностей (см2), и Мут - массу газа, проходящая через неплотности (г/цикл).
Результаты моделирования показали, что изменение Fут от 0 до 0,3 см2 (Мут изменяется от 0 до 0,6012 г/цикл) приводит:
- к увеличению температуры выпускных газов на 37% и расхода топлива на 32% при обеспечении постоянной мощности дизеля;
- к уменьшению мощности дизеля на 62% при обеспечении постоянной температуры выпускных газов.
С увеличением утечек газа из камеры сгорания изменяется отношение давления сжатия к давлению наддува, что может быть показателем износа деталей цилиндро - поршневой группы. При изменении мощности дизеля и соответственно величин давления наддува и давления сжатия соотношения между ними не изменяются при отсутствии утечек газа из камеры сгорания. Эти данные можно учесть при применении программы моделирования для определения мощности дизеля по отдельным параметрам его работы.
Заключение (Conclusion)
В результате выполненных исследований можно сделать следующие выводы:
- применение метода численного моделирования рабочего процесса с помощью описанной математической модели и программы моделирования рабочего процесса позволяют при определении мощности, экологических показателей и других параметров работы главного судового дизеля в условиях эксплуатации учесть внешние условия (атмосферные: температуру, давление и влажность, противодавление выпуску в связи с изменением осадки судна, волнения, глубины) и некоторые неисправности работы двигателя, которые нельзя учесть при испытаниях дизеля на стенде.
- применение математической модели и программы моделирования рабочего процесса позволяют получать более достоверные данные о параметрах работы дизеля в условиях его эксплуатации на судне и открывают новые возможности для совершенствования моделей. С учетом последних достижений дизелестроения и отсутствием средств у судоходных компаний на исследовательские работы это открывает новые преимущества методов математического моделирования перед экспериментальными методами при решения эксплуатационных задач.
- программа моделирования позволяет учитывать особенности конкретного двигателя, поскольку в ней заложена настройка моделей по результатам индивидуальных натурных испытаний нового или после ремонта дизеля.
Обеспечение других параметров рабочего процесса: расхода воздуха через двигатель, оптимальных фаз газораспределения, удельного расхода топлива и др. параметров достигается путем перебора вариантов расчета. В этих случаях для достижения поставленной цели могут применяться другие подходы, например, различные способы поиска оптимальных решений.
Таким образом, используя данные испытаний двигателя и настроив математические модели, можно обеспечить достоверность результатов расчетных исследований показателей работы двигателя в условиях машинного отделения судна. Примерный перечень задач, решаемых в этом случае с помощью программы численного моделирования рабочего процесса:
-исследование влияния параметров системы наддува на показатели рабочего процесса двигателя: диаметра выпускного коллектора; заноса (к.п.д.) турбины и компрессора, параметров холодильника наддувочного воздуха; аэродинамических потерь на входе в компрессор, гидравлических потерь на холодильнике наддувочного воздуха, сопротивления в выпускном коллекторе и в выпускном трубопроводе; противодавления на выпуске; температуры и давления воздуха на входе в цилиндр; распределения давления наддува между ступенями при двухступенчатом наддуве; доли мощности турбины, передаваемой на коленчатый вал, или доли мощности, затрачиваемой на привод нагнетателя наддувочного воздуха, при механической связи коленчатого вала и агрегатов наддува;
- моделирование работы двигателей на различных нагрузочных и скоростных режимах при планировании рейса и составления отчета по энергетической эффективности;
- исследование влияния температуры охлаждающей двигатель жидкости или температуры поверхностей деталей камеры сгорания на параметры рабочего процесса и системы наддува;
- исследование влияние состава топлива и свежего заряда на параметры работы двигателя;
-определять влияние внешних условий (давления, температуры и влажности) на параметры рабочего процесса и системы наддува.
Решение указанных задач может проводиться при ограничениях по максимальному давлению цикла, температуре выпускных газов перед турбиной или величине коэффициента избытка воздуха для сгорания, а также при заданном среднем эффективном или индикаторном давлении; определять допустимые отклонения диагностических показателей главных и вспомогательных двигателей в тех или иных условиях эксплуатации судна.
Литература:
1. Мясников Ю.Н., Иванченко А.А., Никитин А.М. Информационные технологии в пропульсивном комплексе судна: монография, -СПб.: ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова, 2013, - 364с.
2. Intelligent Engine: Development Status and Prospects. P3609909.pdf.
3. Kjeld Hansen. Big Diesel Balancing Act.//Surveyor, Spring, 2002. p.16-24
4. Kaspar Aeberii, John McMillan. Common Rail at sea: The Sulzer RT-flex Engine. Wartsila Corporation, April 2002, p. 1-6.
5. Sulzer RT-flex60C complete and on the testbed. Marine Engineers Review. October 2002, p. 36-37.
6. Иванченко А.А., Петров А.П. Пересчет мощности, расхода топлива и смазочного масла судовых дизельных энергетических установок. Материалы Международной научно-практической конференции , посвященной 300-летию Санкт-Петербурга "Безопасность водного транспорта", СПб, СПГУВК, 2003
7. Иванченко А.А., Петров А.П. Расчет эксплуатационных показателей судовых дизельных установок Учебное пособие, СПГУВК, Санкт-Петербург, 2005
8. Камкин С.В. и др. Эксплуатация судовых дизельных энергетических установок: Учебник, М.: ТРАНСПОРТ, 1996-432с.
9. Иванченко А.А, Васин П.А. Характеристики и опыт использования диагностического комплекса «Магистраль» для оценки технического состояния дизелей. Материалы Международной научно-практической конференции , посвященной 300-летию Санкт - Петербурга "Безопасность водного транспорта", СПб, СПГУВК, 2003
10. Иванченко А.А., Васин П.А., Бурков Д.Е.Аппаратное и
методическое обеспечение мониторинга и диагностирования технического состояния дизельных установок судов в рамках планово - предупредительной системы обслуживания с контролем состояния Труды 11-го международного научно-технического семинара "Исследование, проектирование и эксплуатация судовых ДВС" СПГУВК, 27 сентября 2007 г./ СПб.2008: ИПЦ СПГУВК, с. 130-135
11. Ваншейдт В.А., Гордеев П.А., Захаренко Б.А и др. Судовые установки с двигателями внутреннего сгорания. Л: Судостроение, 1978.
12. Иванченко А.А., Матвеев В.В. Тамбовский Ю.В. и др. Применение методов математического моделирования для оценки и улучшения эффективных и экологических показателей дизельных установок судов. Материалы всероссийского семинара «топливо - двигатель - экологическая система. Проблемы северо-западного региона» под общей редакцией В.С. Шпака: СПб.: Северо-Западное отд. РАН, 2003
13. Обозов А.А., Таричко ВИ. Математическое моделирования рабочего процесса автомобльного ДВС в целях получения диагностической информации// Двигателестроение . - 2013. - №2. - с. 21-25
14. Иванченко А.А., Матвеев В.В. Бордуков В.Т. Численное моделирование рабочего процесса ДВС (дизелей, газовых двигателей и газодизелей). СПб.: СПГУВК, 2002
15. Гончар Б.М. «Численное моделирование рабочего процесса по методу ЦНИДИ». Дизели. Справочник ( подред.Ваншейдта В.А. и др.). Л., Машиностроение, 1977 г., с.87-96.
16. Красовский О.Г. «Численное моделирование нестационарных процессов в газовоздушном тракте двигателя». Тр. ЦНИДИ "Совершенствование и создание форсированных двигателей", Л., 1982 г., с.83-93.
17. Иванченко Н.Н. Красовский О.Г., Соколов С.С. «Высокий наддув дизелей». Л., Машиностроение, 1983 г., 200 с.
18. Красовский О.Г., Матвеев В.В. «Программа численного моделирования рабочего процесса дизеля с различными системами наддува». Тр. ЦНИДИ "Повышение надежности и улучшение технико-экономических показателей тепловозных двигателей", Л., 1983, с.42-52.
19. Красовский О.Г., Берман А.А., Матвеев В.В. «Применение программ численного моделирования рабочего процесса дизелей». Тр. ЦНИДИ "ЭВМ и проектирование двигателей внутреннего сгорания", Л., 1986 г., с.100-114.
20. Вибе И.И. «Новое о рабочем цикле двигателей».М., Свердловск, Машгиз, 1962, 272 с.
21. Woschi G., Anisits F. «Eine Methodezur Vörausberechnung der Änderung des Brennverlaufesmittelschnellaufen der Diesel motorebeig landerten Betriebsbedingungen». MTZ, 34, 1973 г.
22. Вуколович М.П. и др. «Термодинамические свойства газов», М., Л,.1983 г.
23. Одинцов В.И. «Повышение топливной экономичности судовых двс», автореферат диссертации на соискание учёной степени д.т.н., ., С-Птб, 1993 г., 35 с.
24. Иванченко А.А., Макуров В.А., Щенников И.А. Выбор математической модели для описания характеристики выгорания топлива при доводке судового дизеля с аккумуляторной топливной системой. Вестник ГУМРФ им. адмирала С.О. Макарова. 2014. №2(24), с. 31-37
25. Амахин В.А. Вероятно-статистический метод определения мощности главных судовых дизелей после ремонта. Судостроение, №11-12, 1992г, с.31...35.
26. Иванченко А.А., Матвеев В.В., Тамбовский Ю.. Применение методов математического моделирования для определения мощности дизельных установок судов в условиях эксплуатации. Труды научно - методической конференции молодых научных сотрудников СПГУВК 1-7 июня 2005г. Том I. Водные пути, гидротехнические сооружения, портовая техника, электромеханика, судовождение и судостроение..// СПб.: ИПЦ СПГУВК, 2005.-е. 257-263
27. Иванченко А.А., Петров А.П.. Живлюк Г.Е. Энергетическая эффективность судов и требования ИМО по регламентации выбросов парниковых газов. Журнал «Вестник ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова». Выпуск, 2014. - с.14.
28. Иванченко А.А., Щенников И. А., Иванченко А. А. Проблемы и опыт математического моделирования экологических и эксплуатационных показателей судового высокооборотного дизеля М482. Журнал «Вестник ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова». Выпуск, 3(37) 2016. - 166-173с.
29. Окунев В.Н., Бурков Д.Е.. Современные системы диагностики и мониторинга технического состояния судовых дизелей. Журнал «Морская радиоэлектроника» №3-4 [33-34] октябрь-декабрь 2010 г.
30. Мясников Ю.Н. Надежность и техническая диагностика судовых машин и механизмов. Труды научно-методической конференции, посвященной 195-летию образования в области водных коммуникаций России, Т. 3 // СПб.: СПГУВК, 2005. - с. 105-112.
