CC BY
180
II университета
[ЖУРНАЛ в о д н ы х /_/ коммуникации
Список литературы
1. Безюков О. К. Основные положения феноменологической модели эрозионно-коррозион-ных разрушений втулок цилиндров судовых дизелей: материалы Всероссийской научно-методической конференции: сб. тезисов. — СПб.: СПГУВК, 1994. — С. 117-119.
2. Безюков О. К. Требования к присадкам к охлаждающей воде судовых дизелей: материалы Всероссийской научно-методической конференции: сб. тезисов. — СПб.: СПГУВК, 1994. — С. 121-123.
3. Безюков О. К., Жуков В. А., Ларин В. А. Экспериментальное исследование теплоотдачи в жидкости, содержащей добавки высокополимеров и поверхностно-активных веществ // Инж.-фи-зич. журн. — 1993. — Т. 64, № 1.
4. Журков С. Н., Регель В. Р., Санфирова Т. П. Связь между температурно-временной зависимостью прочности и характером термической деструкции полимеров // Высокомол. соед. — 1964. — № 4 (6). — С. 1092.
5. Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидравлическое сопротивление: справ. пособие. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 367 с.
6. Тузов Л. В. Исследование влияния присадок к охлаждающей жидкости дизелей на процессы теплоотдачи / Л. В. Тузов, О. К. Безюков, В. А. Жуков, В. А. Ларин // Двигателестроение. — 1996.— № 1. — С. 55-59.
7. Тузов Л. В., Безюков О. К., Жуков В. А. Разработка и опытная эксплуатация многофункциональных присадок к охлаждающей воде судовых дизелей // Моделирование и оптимизация сложных систем: сб. науч. трудов. — Н. Новгород: ВГАВТ, 1997. — Вып. 273. — С. 121.
О. К. Безюков,
д-р техн. наук, проф., СПГУВК;
А. А. Кордаков,
соискатель, СПГУВК
СРЕДСТВА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ДЕТАЛЕЙ ОСТОВА СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ
FACILITIES FOR CONTROL OF THE THERMAL STATE OF DETAILS OF FRAME
OF MARINE DIESELS
В статье дан анализ долговечности деталей судовых дизелей, приведены причины их отказов и поломок, рассмотрены возможности обеспечения безотказности и ресурса судовых дизелей путем применения в эксплуатационных условиях современных средств контроля теплового состояния их остова: тепловизо- и
ров, пирометров, контактных термометров и термоиндикаторных красок. П
The article gives the analysis of durability of the details of marine diesels, causes of their failure and g
breakdowns; examines the opportunities of guarantee of faultlessness and resource of marine diesels by using 141
modern facilities for control of the thermal state of their frame: teplovizors, pyrometers, contact thermometers and E83 thermopaints.
Ключевые слова: судовой дизель, остов, безотказность и ресурс, температурные поля, тепловизор, пирометр, контактный термометр, термоиндикаторные краски.
Keywords: Marine diesel, frame, faultlessness and resource, temperature fields, teplovizor, pyrometer, contact thermometer, termopaints.
II университета
'ЖУРНАЛ водн ы х / / коммуникации
ИАЗВИТИЕ современного дизеле-строения характеризуется увеличением цилиндровых мощностей, которое, в большинстве случаев, достигается за счет роста среднего эффективного давления, частоты вращения коленчатого вала. Увеличение цикловой подачи топлива приводит к росту тепловыделения в цилиндре и усилению процесса теплообмена между рабочим телом (газами), деталями цилиндро-поршне -вой группы и остова [8].
Таким образом, тепловая напряженность дизеля определяется как температурное состояние его деталей, оцененное по отношению к некоторым его критическим характеристикам с учетом свойств и условий работы металла.
Количественно тепловая напряженность оценивается температурными напряжениями и их отношением к соответствующей характеристике механической прочности металла и уровнями температуры в различных ответственных местах деталей, отнесенными к ее критическим значениям. Температуру и температурные напряжения обобщенно называют параметрами тепловой напряженности.
Развивающиеся в деталях двигателя температурные напряжения обусловливаются их конструктивной формой, теплофизически-ми характеристиками материала и тепловым состоянием самой детали и сопряженных с ней элементов. При этом температурное поле детали или определяющие его параметры (уровни температуры в характерных точках и температурные градиенты) при прочих равных условиях являются данными для сравнительного анализа динамики тепловой напряженности в зависимости от изменения режи-см ма работы дизеля.
& Чтобы обеспечить надлежащую надеж-
т ность, на дизелестроительных заводах вводят
конструктивные усовершенствования, однако в условиях непредвиденной тяжелой навигационной обстановки (например, снижение глубины судового хода) или из-за нарушений правил технической эксплуатации коэффициент эксплуатационной надежности по тепло-
вой напряженности может быть исчерпан, что приводит к нежелательным последствиям и нередко к авариям.
В настоящее время на новых судах смешанного река-море плавания устанавливаются современные ДВС ведущих дизелестроительных фирм мира Wartsila, MAN B&W, MaK, Caterpillar, Sulzer и других, в 24 раза превышающие по степени форсиров-ки двигатели, традиционно используемые на речном флоте [6].
Если в дизелях типа 6ЧН12/14, ЧН15/18, ЧН18/22, 6ЧН36/45, ЧН18/26, ЧН 24/36, ЧН32/48 и других теплонапряженность существенно влияла на показатели надежности прежде всего цилиндро-поршневой группы, то в высокофорсированных двигателях, у которых среднее эффективное давление превышает 2 МПа, она оказывает также влияние и на показатели безотказности и ресурса деталей остова — крышек и блока цилиндров, анкерных связей и шпилек, особенно при работе дизеля во время пуска, на переменных режимах и при перегрузках [3, 5].
Для оценки теплового и теплонапря-женного состояния цилиндро-поршневой группы используются термометрирование, которое требует установки как самих термопар, так и прокладки их коммуникаций. Измерения чаще всего проводятся не там, где они наиболее информативны, а в тех местах, где возможна установка термопар [7]. При этом они искажают температурные поля и ослабляют детали двигателя. В результате указанный метод находит применение только в исследовательской практике, а в условиях эксплуатации тепловой контроль двигателей осуществляется косвенными методами по температуре рабочих сред (отработавших газов, надувочного воздуха, охлаждающей жидкости и масла), что дает только качественную и осредненную картину теплонапря-женного состояния ДВС. Причем система автоматического регулирования поддерживает значения температур охлаждающей жидкости и масла примерно постоянными, что резко снижает информативность даже косвенного метода.
В то же время длительная безаварийная эксплуатация судовых дизелей с высокой тепловой напряженностью может быть обеспечена экипажем путем применения новых методов и средств контроля теплового состояния деталей остова судовых дизелей. К их числу относятся: тепловизоры, пирометры, контактные термометры и термоиндикаторные краски, которые могут применяться сами по себе и в сочетаниях друг с другом.
Тепловизор (тепловизионный измерительный прибор) — оптико-электронный прибор, предназначенный для бесконтактного (дистанционного) наблюдения, измерения и регистрации пространственного/пространственно-временного распределения радиационной температуры объектов, находящихся в поле зрения прибора путем формирования временной последовательности термограмм и определения температуры поверхности объекта по известным коэффициентам излучения и параметрам съемки (температура окружающей среды, пропускание атмосферы, дистанция наблюдения и т. п.) [4]. При выборе аппарата необходимо учитывать целый ряд важных характеристик: температурное разрешение, размер изображения, скорость формирования изображения, спектральный
Рис. 1. Тепловизор NEC TH7700/7800
университета в о д н ы х коммуникаций
диапазон, диапазон измеряемых температур, автокомпенсацию воздействия внешних факторов и др.
Вследствие ограниченного пространства машинных помещений важным параметром является поле зрения тепловизора (FOV — Field of view), описывающее размеры пространства при съемке объекта и размер чувствительного детектора (матрицы), способного обеспечить высокую плотность считывания информации в фокальной плоскости.
Для контроля над тепловым состоянием остова судовых дизелей выбраны следующие определяющие и граничные условия:
— диапазон измеряемых температур — 0 ... 250 °С;
— расстояние от тепловизора до объекта измерений — 0,3 ... 10 м;
— поле зрения — 50 °;
— размер матрицы — > 100 тыс. пикселей;
— предел допустимой погрешности измерений температуры — ± 2 °С;
— возможность накапливать и проводить обработку полученной информации с помощью ПЭВМ.
Анализ технических характеристик и стоимости тепловизоров (табл. 1) показывает, что в судовых условиях целесообразно использование тепловизора NEC TH7700/7800 (США/Япония) (рис. 1) или аналогичных по техническим параметрам. Эти приборы позволят установить общее тепловое изображение машинного отделения, создаваемого за счет собственного теплового излучения находящихся в них судовых дизелей и другого оборудования за счет в излучательной способности их наружных поверхностей.
В связи с высокой стоимостью тепловизоры не могут использоваться на каждом судне на постоянной основе. Поэтому целесообразно применение пирометров, позволяющих обеспечить дистанционное измерение температуры прежде всего в тех точках машинного отделения, где она достигает максимальных значений (например, газовые стыки между крышками и блоком цилиндров ДВС, тепловая изоляция выпускных коллекторов, котлов и др.).
во о-
X 2
I
Выпуск 2
Таблица 1
Технические характеристики тепловизоров
Марка тепловизора, страна-производитель Диапазон измерений температуры, °С Порог температурной чувствительности, °С Погрешность измерения температуры, °С Оптическое поле зрения, град. Размер матрицы, пиксель Стоимость, руб.
IRISYS IRI 4010 (Великобритания) -10 . . +250 0,15 +2 20 X 15 160 120 148 700
LAND GUIDE МЗ (Великобритания) -20 . . +250 0,12 +2 25 X 19 160 120 265 500
TESTO 880 (Германия) -20 . . +350 0,1 +2 32 X 24 160 120 229 000
FLUKE TÍ30 (США) -10 . . +250 0,1 +2 17 X 12,8 160 120 383 500
FLUKE TÍ20 (США) -10 . . +350 0,1 +2 20 X 15 128 X 96 224 200
NEC ТН7700/7800 (США/Япония) -20 . . +250 0,1 +2 27 X 20 320 240 515 800
Extech IRC55 (США) -10 . . +350 0,2 +2 25 X 25 120 120 208 000
Therm а САМ Е320 (Швеция/США) -20 . . +500 0,1 +2 23 X 17 320 240 625 000
Therma САМ Е45 (Швеция/США) -20 . . +250 0,1 +2 19 X 14 160 120 445 000
Therma САМ Р65 (Швеция/США) -40 . . +500 0,08 +2 24 X 18 320 240 2 000 000
NEC ТН-9100 ProMV (США/Япония) -40 .. +2000 0,06 +1 21.7 X 16.4 320> <240 1 406 000
CANTRONIC IR980 (Канада) -20 . . +600 0,08 +1 20 X 15 320 240 78 8500
ФлашСайт (Россия) -40 .. +55 — — 13 X 10 160 120 515 000
s X о з? ж м _ н
S H
5<х ai
Пирометр — прибор для бесконтактного измерения температуры поверхности тел. Принцип его действия основан на измерении мощности теплового излучения объекта в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света. При выборе пирометра необходимо учитывать технические характеристики аппарата, определяющие его технический уровень и соответствие поставленной задачи.
Рис. 2. Пирометр Яау^ег 8Т80
Для регистрации температур на поверхности остова дизеля выбраны следующие оп-
Технические харак
университета
[ЖУРНАЛ в о д н ы х
коммуникации
ределяющие и граничные условия:
— диапазон измеряемых температур — 0 ... + 450 °С;
— расстояние от пирометра до объекта измерений — 1 ... 10 м;
— диаметр пятна — < 200 мм;
— показатель визирования (отношение расстояния между пирометром и объектом измерения к диаметру пятна визирования) — > 50:1
— предел допустимой погрешности измерений — ± 2 °С;
— время отклика (установления показаний) — < 0,5 с;
— спектральный интервал — 8 ... 14 мкм;
— дискретное считывание показаний температуры;
— наличие лазерного прицела.
— возможность накапливать и проводить обработку полученной информации с помощью ПЭВМ.
Анализ технических характеристик и стоимости пирометров немецкого производства, лидирующих по надежности и качеству исполнения (см. табл. 2), показывает, что основным параметром выбора является показатель визирования. По техническим характеристикам и стоимости Яау^ег 8Т80 немецкой фирмы Яау1ек является наиболее подходящим прибором для измерения температуры поверхности деталей остова дизелей.
Таблица 2
стики пирометров
Марка пирометра Диапазон измерений температуры, °С Показатель визирования Погрешность измерения температуры, % Время отклика (установления показаний), с Стоимость, руб.
Optris MS -32 . . +460 20:1 1 0,3 5600
Optris MS Plus -32 . . +530 20:1 1 0,3 7600
Raynger ST20 -32 . . +400 12:1 1 0,3 11 300
TI 120 EL -20 . . +500 8:1 1 0,3 12 500
Raynger ST25 -32 . . +545 12:1 1 0.3 14 400
университета
'ЖУРНАЛ водн ы х коммуникации
Таблица 2 (Продолжение)
TI 200 -20 . .. +700 35:1 1 0,2 17 500
Optris MS Pro -30 . .. +720 30:1 1 0.3 19 300
Raynger ST60 -32 . .. +600 30:1 1 0.3 24 100
Raynger ST80 -32 . +720 50:1 1 0,2 27 600
Optris Laser Sight -35 . .. +900 75:1 0,75 0,15 44 600
Raynger MX2 -30 . .. +900 60:1 0,7 0,25 52 600
TI 315 -25 . . +1200 80:1 1 0,2 67 400
Raynger MX4 Plus -30 . +900 60:1 1 0,25 71 800
Наиболее простыми и дешевыми средствами определения температуры исследуемой поверхности судового оборудования являются специальные термоиндикаторные краски, которые наносятся на поверхности в машинном отделении в виде меток [1].
Технические характеристи
Термоиндикаторы — это сложные вещества, которые при достижении определенной температуры резко изменяют свой цвет за счет химического взаимодействия компонентов (см. табл. 3) и могут быть нанесены практически на любую вогнутую или выпуклую поверхность остова дизеля.
Таблица 3
термоиндикаторных красок
Температура перехода, °С Исходный цвет Цвет после нагрева
45 светло-розовый голубой
70 розовый зеленый
85 светло-розовый светло-синий
90 светло-зеленый светло-коричневый
110 светло-розовый светло-фиолетовый
120 светло-зеленый фиолетовый
130 желтый оранжевый
150 фиолетовый черный
180 светло-зеленый черный
200 зеленый беж
240 светло-зеленый коричневый
250 бирюзовый белый
280 сиреневый черно-синий
II университета
[ЖУРНАЛ в о д н ы х /_/ коммуникации
Таблица 3 (Продолжение)
360 синий беж
410 белый коричневый
445 сине-зеленый светло-серый
470 оранжевый серый
485 голубой светло-серый
510 сине-зеленый оранжевый
555 черный темно-зеленый
570 розовый белый через беж
700 бледно-зеленый ярко-зеленый
800 сиреневый светло-фиолетовый
Термоиндикаторы плавления (ТИП) представляют собой высокодисперсные суспензии термочувствительных веществ на основе органических и неорганических химических соединений и связующих, содержащих растворы синтетических лаков и смол в органических растворителях. ТИП обеспечивают повышенную контрастность цветового перехода и рекомендуются для контроля и измерения температуры нагреваемых поверхностей объектов, выполненных из любых конструкционных материалов.
Нереверсивные термоиндикаторы, имеющие размер 18 х 40 мм, при достижении определенной температуры меняют цвет, который остается в последующем без изменений.
Реверсивный термоиндикатор диаметром 30 мм при обычной температуре черного цвета; при температуре 90 °С меняет свой цвет на красный, затем на зеленый (95 °С) и синий (100 °С). С уменьшением температуры черный цвет восстанавливается.
ТИП выпускаются по ТУ 2638-00248591565-2000 «Термоиндикаторы плавления высокочувствительные» различных модификаций, с диапазоном температур срабатывания от 30 до 1200 °С. Точная температура указывается в сертификате и находится для различных диапазонов температур в следующих пределах: 30-114 оС (±3 оС), 122-170 оС (±4 оС), 180-390 оС (±5-6 оС), 400-1100 оС (±10-20 оС), 1150-1200 оС (±40 оС).
На точность показаний ТИП (погрешность измерения которыми составляет не более ±1 %) не влияют повышенная влажность, солнечная радиация, перепады температур.
На тех же физико-химических основах основано применение термоиндикаторных карандашей (рис. 4), представляющих собой металлический цилиндр с внутренним стержнем из лакополимерного композита. Материал стержня плавится при определенной температуре, называемой номиналом карандаша. Для определения момента достижения определенной температуры на контролируемую поверхность наносят метку термоиндикаторным карандашом соответствующего номинала. При температуре нагрева исследуемой поверхности до номинального значения метка расплавится и превратится в глянцевый мазок. Глянцевый вид мазка сохранится и после охлаждения поверхности.
Рис. 4. Термоиндикаторный карандаш Thermomelt Heat Stik
во о-
X 2
Термоиндикаторные карандаши имеют диапазон температурного перехода от 50 до 1200 °С при точности измерения температуры ±1 %.
университета
'ЖУРНАЛ водн ы х коммуникаций
Применение термоиндикаторов для визуального контроля теплового состояния остова дизелей также позволяет просто и надежно регистрировать переход работы его отдельных элементов за предельно допустимые значения параметров.
Для исследования динамики изменения теплового состояния остова судового дизеля в процессе запуска, прогрева и при изменении режимов работы, создания соответствующих термограмм необходимо провести одновременные замеры температуры в целом ряде характерных точек остова. Такие измерения целесообразно проводить с помощью термометров с контактными датчиками, оснащенными терморегистрирующими устройствами, например семейства iButton Data Loggers (далее — iBDL), серийно выпускаемыми американской компанией Dallas Semiconductor. Указанные регистраторы являются полностью автономными устройствами, имеющими в составе своей конструкции собственный источник энергии, микропроцессорное устройство управления, большой объем энергонезависимой памяти для хранения накапливаемых данных, узел часов реального времени.
Применение iBDL исключает необходимость прокладки проводных каналов связи, дает возможность устанавливать датчики и
считывать информацию в труднодоступных местах остова дизелей и другого судового оборудования.
В качестве чувствительного элемента контактных датчиков в устройствах iBDL-RH используются прецизионные платиновые терморезисторы типа HEL-707 от Honeywell, обеспечивающие регистрацию температуры в диапазоне от -75 до +500 °С.
Погрешность измерений при температуре окружающего воздуха от +5 до +45 °С составляет ±1,8 °С [2].
Накопленные самописцем результаты измерений обрабатываются и документируются с помощью специальной программы обработки данных, свободно доступных макросов генератора отчета iBDL_Pr или генератора графиков iBDL_MG для программы MS Excel [2].
Таким образом, с помощью предложенных средств возможен контроль температурного состояния деталей остова, что позволит оптимизировать его теплонапряженное состояние, уменьшит вероятность образования трещин в наиболее дорогих и трудоемких в ремонте элементах судовых дизелей (в крышках, втулках, блоке цилиндров, анкерных связях и шпильках), во всем диапазоне их эксплуатационных режимов.
Список литературы
1. ООО «БИОЛАЙТ ЛТД» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.biolight.ru.
2. Лаборатория альтернативных энергосистем и электронного обеспечения. Управление по нераспространению ядерных материалов и технологий РНЦ «Курчатовский институт» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.elin.ru.
3. Васильев Б. В., Ханин С. М. Надежность судовых дизелей. — М.: Транспорт, 1989.
4. ГОСТ Р 8.619-2006. Национальный стандарт Российской Федерации. Приборы тепловизи-онные измерительные.
5. Кондратьев Н. Н. Отказы и дефекты судовых дизелей. — М.: Транспорт, 1985.
6. Конкс Г. А., Лашко В. А. Мировое судовое дизелестроение. Концепции конструирования, анализ международного опыта. — М.: Машиностроение, 2005.
7. Пахомов Ю. А. Основы научных исследований и испытаний тепловых двигателей. — М.: ТрансЛит, 2009.
8. Лепский А. Г., Дамаскин А. А. Анализ возможности формирования интегрального показателя для оценки теплонапряженности деталей судового двигателя // Вестник МГТУ. — 2008. — № 3. — Т. 11. — С. 451-455.
