Підвищення ефективності суднових дизельних енергетичних установок в тропічних умовах експлуатації

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Ефективність дизельних двигунів суднових енергетичних установок (СЕУ) суттєво залежить від кліматичних умов експлуатації. В умовах тропічного клімату В'єтнаму на ефективність дизельних двигунів впливають висока температура та вологість повітря на вході в компресор турбонадувного агрегату, відносно висока температура забортної води та її забрудненість мулом і мікроорганізмами. Згідно до "Правил Регістра судноплавства України", ГОСТ 15150, ГОСТ 25870 та змінам №4 до цих ГОСТів, які введені в дію на території України 01.09.2001 г., суднове обладнання, що експлуатується в тропічних умовах повинно відповідати кліматичному виготовленню ТМ и ТВ при наступних параметрах навколишнього середовища: середня мінімальна температура повітря +1Со; середня максимальна температура повітря +45 °С; абсолютний максимум температури повітря +50 °С; відносна вологість 70% (+29 °С) і 80% (+27% °С); наявність у повітрі крапельної вологи; середня максимальна температура забортної води 32 °С.

Вплив визначених факторів приводить до зниження ефективної потужності дизельних двигунів, підвищення питомої витрати палива, зниження ресурсу та підвищення експлуатаційних витрат та, нарешті до підвищення вартості тонно-милі морських перевезень.

Створення суднових дизельних енергетичних установок, які можуть ефективно експлуатуватися в умовах тропіків є конче актуальною задачею для суднобудівної галузі, оскільки транспортний флот в країнах с таким кліматом має тенденцію сталого розвитку. Так, наприклад, у 2002 році приріст тоннажу рибопромислового и транспортного флоту В'єтнаму склав 4,7%. Підвищення ефективності транспортних перевезень може бути здійснено за рахунок подальшого зниження паливної складової експлуатаційних витрат. Однією із задач, що входять в цю проблему є вдосконалення суднових дизельних установок, адаптованих до тропічних умов. Вирішенню такої задачі присвячена ця дисертаційна робота.

Раціональним резервом підвищення ефективності суднових ДВЗ є вдосконалення зовнішніх систем, які забезпечують оптимальні початкові параметри циклу. Однією з найбільш ефективних може бути система охолодження надувного повітря, яка впливає на термодинамічну ефективність циклу. Необхідні принципово нові схемні та конструктивні рішення, які дозволили би суттєво підвищити ефективність суднового ДВЗ. Це може бути досягнуте за рахунок використання внутрішнього охолодження повітря в компресорі турбонадувного агрегату шляхом впорскування охолоджуючої рідини та турбодетандерної системи для глибокого охолодження надувного повітря. Такі комплексні системи дозволяють забезпечити оптимальні параметри повітря на вході в циліндри двигуна, перерозподілити складові теплового та енергетичного балансу в бік підвищення потужності двигуна, зниження питомої витрати палива та теплової напруженості найбільш відповідальних елементів.

Мета і задачі дослідження. Метою цієї роботи є підвищення паливної економічності суднових дизельних енергетичних установок шляхом використання ДВЗ з випарним охолодженням повітря в турбокомпресорі і глибоким додатковим охолодженням цього повітря у турбодетандерному агрегаті.

Задачі дослідження:

- визначити раціональні схемні рішення систем охолодження надувного повітря, які дозволяють ефективно експлуатувати суднові ДВЗ у тропічних умовах;

- розробити математичну модель процесу в судновому ДВЗ, яка дозволяє адекватно визначати показники двигуна з врахуванням особливостей розроблених систем повітропостачання;

– експериментально перевірити адекватність математичної моделі і працездатність розроблених схемних та конструктивних рішень, пов'язаних з використанням систем внутрішнього випарного охолодження повітря у компресорі турбонадувного агрегату впорскуванням охолоджуючої рідини та глибоким додатковим охолодженням цього повітря у турбодетандерному агрегаті;

– визначити оптимальні параметрі надувного повітря, які забезпечують припустиму питому витрату палива і потужність ДВЗ судновому ДВЗ в тропічних умовах експлуатації;

- розробити рекомендації для впровадження в практику проектування рішень систем повітропостачання суднових ДВЗ, які працюють в умовах тропічного клімату.

1. Стан проблеми підвищення економічності СЕУ з ДВЗ які працюють в тропічних умовах

Робляться висновки про доцільність вивчення можливості використання у складі суднових турбопоршневих ДВЗ комплексних систем охолодження надувного повітря (КСОНП), які побудовані на основі рекуперативного, внутрішнього випарного та турбодетандерного методів. Визначені раціональні шляхи побудови схемних та конструктивних рішень цих систем.

Встановлено, що до теперішнього часу нерозв'язаною є задача про раціональний склад та показники систем охолодження надувного повітря ДВЗ. Визначені основні недоліки традиційних систем охолодження надувного повітря та шляхи усунення цих недоліків.

Наведений приклад аналізу впливу тропічних умов експлуатації на зміну питомої витрати палива дизельних двигунів СЕУ рефрижератора - постачальника проекту 12970 дедвейтом 2460 т, його принципова схема СЕУ представлена на рис.1. При температурі забортної води +32 °С, відносній вологості 80% підвищення питомої витрати палива на головний та допоміжні двигуни складає приблизно 2,38%.

Проаналізовані схема системи повітропостачання та охолодження надувного повітря фірми Купер-Бесемер та схема системи з двоступеневим комбінованим надувом і проміжним охолодженням та встановлені їх недоліки.

Виконаний аналіз можливих варіантів схем системи повітропостачання і охолодження надувного повітря, які включають додаткове внутрішнє випарне охолодження.

Показано, що для тропічних умов експлуатації дизельної СЕУ найбільш ефективної є система охолодження надувного повітря з внутрішнім випарним та турбодетандерним охолодженням. У цьому випадку досягається найвища паливна економічність ДВЗ та СЕУ в цілому. Сформульовано напрямок, мету та задачі дослідження.

2. Основні методи та методики досліджень

Основні положення дисертації досліджені методами фізичного та математичного моделювання. Дослідження робочих процесів, що відбуваються у дизельному двигуні з комплексною системою охолодження надувного повітря, здійснювалось з використанням об'єктивних критеріїв порівняльної ефективності впливу чинників, діючих у робочому циліндрі і двигуні в цілому. Розроблена математична модель побудована з використанням системного підходу на основі фундаментальних рівнянь термодинаміки і перевірених методик. При реалізації математичної моделі на ПЕОМ був використаний широковідомий та поширений модифікований метод Ейлера, який має задовільну збіжність та дає досить точні результати.

Експериментальне дослідження проводилось із застосуванням найбільш перевіреного й інформативного методу зняття індикаторних діаграм натурного суднового дизельного двигуна, який був обладнаний комплексною системою охолодження надувного повітря і працював в штучно створених умовах тропічного клімату. Для вимірювання та реєстрації параметрів ДВЗ при експериментальних дослідженнях була використана сучасна сертифікована та атестована апаратура. При експериментальних дослідженнях робочих процесів використовувалась стандартні методи та методики згідно до ГОСТ 2.106-68, ГОСТ 10448-80, ГОСТ 26964-86 і "Методика определения удельного расхода топлива серийных образцов дизелей и дизель-генераторов при приемо-сдаточных и периодических испытаниях".

Викладене вище дає змогу вважати, що застосовані при виконанні роботи методи та методики дозволяють одержувати надійні та вірогідні результати.

3. Експериментальні дослідження робочого процесу в судновому ДВЗ з комплексною системою охолодження надувного повітря

Наведені принципова схема та опис експериментальних стендів та системи вимірювання, реєстрації та обробки результатів дослідження.

Перед початком експериментальних досліджень були проведені налагоджувальні випробування та визначені похибки вимірювання параметрів робочого процесу ДВЗ.

Наведені результати перевірки працездатності та надійності експериментальних даних.

Ці випробування показали, що результати, отримані за допомогою розробленого експериментального стенда, досить добре узгоджуються з відомими аналогічними результатами інших авторів, а похибка при вимірюваннях не перевищує 5%. Довірчий інтервал, визначений для умов експериментальних досліджень, лежить у межах 0,93...0,95 в залежності від мети та обсягів випробувань. Це дає змогу вважати, що експериментальний стенд відповідає вимогам, які ставляться до такого типу обладнання і може бути використаний для подальших досліджень робочих процесів в ДВЗ.

На рис.9 представлені результати експериментальних досліджень, пов'язаних з визначенням впливу глибини охолодження надувного повітря на основні параметри суднового ДВЗ.

4. Розробка математичної моделі робочих процесів в судновому ДВЗ, який обладнаний комплексною системою охолодження надувного повітря

При складанні математичної моделі використані фундаментальні рівняння термодинаміки, газової динаміки та теорії робочих процесів ДВЗ.

Диференційне рівняння швидкості зміни тиску в процесі стиску:

. (1)

Процес згоряння-розширення:

(2)

Процес газообміну:

для випуску газу з циліндра:

(3)

подачі робочого тіла в циліндр:

(4)

При затіканні в циліндр свіжого заряду dMs і одночасним витіканням з нього газу dМт, швидкість зміни тиску в циліндрі:

(5)

Наведена математична модель доповнюється залежностями для визначення складових, які входять в цю модель.

Зміна маси робочого тіла в циліндрі, dM, за елементарний відрізок часу d визначається за рівнянням:

(6)

де d = d/6n (d - елементарний кут повороту колінчатого вала; n - частота обертання колінчастого валу, об/хв.); G - секундний розхід робочого тіла. При малих значеннях відношень тисків ( = p*/p > 0,9…0,95), ; при p*/p < 0,9…0,95, тоді . Тут м - коефіцієнт розходу; f - площа прохідного перерізу; p, v - відповідно тиск та питомий об'єм газу перед отвором; ш - коефіцієнт режиму течії:

ш =; ;

(мf)max - ефективний максимальний прохідний переріз каналу, k - показник адіабати, рк - функція критичного відношення тиску для непрофільованих каналів; ; l - довжина каналу, s - його висота.

Основою для опису процесу згорання у двигуні, що досліджувався, є відома формула І.І. Вібе:

.(7)

У першоджерелі коефіцієнт m не має явної залежності від температури, хоча така залежність має бути. У дисертації вона встановлена на підставі того, що існують відомі залежності для визначення значення першого максимуму швидкості тепловиділення при згорянні, який обчислюється у функції часу затримки самозапалення i. Цей час обчислюється з урахуванням впливу на нього температури надувного повітря. Водночас на підставі (7) також можна обчислити значення максимуму тепловиділення при згорянні шляхом визначення екстремуму функції (7). З іншого боку, значення кута тривалості згоряння теж залежить від температури повітря на вході у циліндр. Ця залежність може бути виражена через зміну параметра xi , який визначає кількість палива у циліндрі на момент i. Відтоді на підставі порівняння виразів для швидкостей тепловиділення при згорянні, знайдених різними шляхами, можна встановити залежність для визначення коефіцієнту m від температури надувного повітря. Ця залежність буде мати вигляд:

, (8)

де:

К1,2 - постійні коефіцієнти в умовах виконаного дослідження, а - відносний час процесу згоряння у першій фазі, а = 0,07…0,12; z0, xi0 - відповідні параметри на початковому режимі.

Крім опису процесу згоряння на підставі одномаксимумної моделі, запропонованої І.І. Вібе, і максимально придатної для опису процесу згоряння у двигуні, що досліджувався, у дисертації також досліджувалася трьохмаксимумна модель. Вона більш придатна для двигунів більших розмірностей і з іншим засобом сумішоутворення.

Потужність компресора з внутрішнім випарним охолодженням повітря:

(9)

Потужність розширювальної машини:

(10)

Потужність газової турбіни турбонадувного агрегату:

 (11)

ККД ДВЗ з КСОНП визначається з залежності:

(12)

З врахуванням початкових умов та обмежень, які характерні для реальних умов робочого процесу в ДВЗ, математична модель є замкненою і має однозначне рішення.

Реалізація моделі здійснена модифікованим методом Ейлера на ПЕОМ з процесором Pentium-4.

Для оцінки адекватності моделі виконане порівняння розрахункових та експериментальних значень тиску газів у циліндрі двигуна 6ЧН12/14. Порівнювалися експериментальні данні на режимі номінальної потужності 125 кВт та температурі повітря у ресивері 350 К і результати розрахунків по одно- та трьохмаксимумній моделі.

Як можна бачити з представлених даних, максимальне середньоквадратичне відхилення розрахункових даних, одержаних на основі одномаксимумної моделі не перевищує 5%. Довірчий інтервал в цьому випадку дорівнює 0,95, а у випадку трьохмаксимумної моделі, коли середньоквадратичне відхилення не перевищує 6%, довірчий інтервал становить 0,93. На підставі наведеного порівняння можна стверджувати, що одно- и трьохмаксимумна математичні моделі достатньо адекватно відображають дійсні робочі процеси у судновому дизельному двигуні з комплексною системою охолодження надувного повітря. При цьому одномаксимумна модель дає результати, довірчий інтервал котрих на 2% ближче до експериментальних даних, ніж аналогічні данні, одержані за допомогою трьохмаксимумної моделі. Таке погодження результатів дозволяє рекомендувати трьохмаксимумну модель робочого процесу у судновому ДВЗ, як для практичних розрахунків, так й для досліджень. Одномаксимумна модель може бути використана для більш точних розрахунків при дослідженнях впливу різних факторів на показники ДВЗ с КСОНП. В цьому ж розділі було проаналізована чутливість та можливість математичної моделі.

5. Результати теоретичних досліджень робочого процесу в судновому ДВЗ с комплексною системою охолодження надувного повітря

Досліджена ефективність узагальненої схеми системи повітропостачання. Така схема дозволяє в найбільш повній мірі реалізувати переваги, як самої системи охолодження надувного повітря, так й схемного рішення з використанням додаткової турбіни, потужність якої передається на колінчастий вал ДВЗ.

З метою встановлення залежності найбільш важливих показників робочого процесу ДВЗ від глибини охолодження надувного повітря, було проведено числове дослідження з використанням математичної моделі. Для двигуна з вільним турбонадувом характер зміни паливної економічності у залежності від зниження температури надувного повітря відповідає лінії ge-1. Для цього двигуна зміна температури повітря за компресором забезпечується застосуванням у рекуперативному охолоджувачі надувного повітря зовнішнього теплоносія з умовно необмеженими можливостями зниження температури, і досліджувалася реакція двигуна на зміну Ts у таких умовах.

У реальних конструкціях двигунів такі можливості зниження температури відсутні. Тут розглядається можливість зниження температури в ресивері не під дією ідеального зовнішнього теплоносія, а на основі потенційно можливого регулювання глибини охолодження надувного повітря за рахунок відповідного налаштовування КСОНП. Початкове зниження питомої витрати палива при Ts = 350 K у порівнянні з першим варіантом пояснюється зменшенням витрат на привод компресора в результаті упорскування води в стиснуте повітря. Зростання питомої витрати палива після 310 К (коли досягається межа зниження Ts під дією тільки рекуперативної системи охолодження) пояснюється тим, що до моменту досягнення мінімуму починає діяти додатковий негативний фактор впливу на ККД двигуна - витрати на стискування повітря перед турбодетандером.

Проаналізовано також аналогічну залежність питомої витрати палива від температури повітря в ресивері (відповідає кривої ge-3) для двигуна однакової потужності і розмірності, який обладнаний такою же системою охолодження надувного повітря, але який має більш високу початкову економічність за рахунок поліпшених параметрів робочого циклу (високий тиск наддува і більш високий максимальний тиск згоряння). Для вже розглянутих двигунів моделі робочих циклів налаштовувалися за результатами власних стендових іспитів. Для третього двигуна налаштування циклу виконане з використанням параметрів близького аналогу, представлених в опублікованих джерелах.

В реальному циклі комбінованого турбопоршньового ДВЗ охолодження надувного повітря забезпечує зниження питомої витрати палива при постійній потужності. Цей ефект пов'язаний з перерозподілом складових теплового балансу ДВЗ і підвищенням долі корисно використаного тепла. Характер впливу охолодження надувного повітря на паливну економічність ДВЗ не є однозначним. Позитивний характер виявляється в тому разі, коли додаткова енергія, отримана в результаті комплексного впливу охолодження надувного повітря передається на колінчастий вал ДВЗ. Якщо ця енергія витрачається на інші потреби, в тому разі й на додаткове охолодження надувного повітря, то підвищення паливної економічності може бути досить малим чи негативним.

6. Впровадження результатів дисертаційної роботи

Наведені порівняльні результати розрахунків паливної економічності дизельної СЕУ транспортного рефрижератора-постачальника проекту 12970. Показано, що впровадження комплексної системи охолодження надувного повітря дозволяє скоротити питому витрату палива на 27 г/(кВт.г)

Виконані розрахунки дизельної СЕУ буксира проекту 14060, (ВАТ "Чорноморсуднопроект"), які показали, що за рахунок дообладнання комплексною системою охолодження надувного повітря головного та допоміжних ДВЗ, скорочення питомої витрати палива становить приблизно 30 г/(кВт.г).

Результати дисертаційної роботи можуть бути використані при розробці перспективних схем суднових енергетичних установок для транспортного флоту, який експлуатується в умовах тропічного клімату. Крім того, ці результати можуть бути використані для модернізації вже існуючих суднових енергетичних установок транспортних суден, а також стаціонарних дизельних енергетичних установок.

Розроблені одномаксимумна та трьохмаксимумна математичні моделі та методики розрахунків робочого процесу в суднових ДВЗ, дообладнаних КСОНП передані ВАТ "Чорноморсуднопроект", м. Миколаїв, де використовуються при проектуванні перспективних СЕУ транспортних суден. Математичні моделі, методики розрахунків робочого процесу, а також схемні та конструктивні рішення систем повітропостачання передані в ВАТ "Мотор-Січ", м. Запоріжжя, де використовуються при розробці перспективних систем повітропостачання для головних та допоміжних суднових ДВЗ. Результати роботи також використовуються у навчальному процесі УДМТУ при читанні лекцій з теорії робочих процесів ДВЗ.

Результати дисертаційного дослідження впроваджені у В'єтнамському Кораблебудівному науково-технологічному інституті "SHIPSCITECH", а також у В'єтнамському морському університеті "VIMARU".

Висновки

турбодетандерний двигун охолоджувальний надувний

Результати роботи дають підставу зробити таки висновки:

Аналіз вітчизняної та іноземної літератури дозволив встановити можливість підвищення паливної економічності суднових енергетичних установок, які експлуатуються в тропічних умовах, шляхом удосконалення систем охолодження надувного повітря суднових ДВЗ. Це дозволяє відповідно скоротити собівартість тонно-милі морських перевезень.

Встановлено, що одним з найбільш раціональних схемних рішень систем охолодження надувного повітря суднового ДВЗ є комплексна система, до складу якої входить внутрішнє випарне охолодження у компресорі ТНА та турбодетандерне охолодження. Така система дозволяє зменшити питому витрату палива суднового ДВЗ на 10…15 г/(кВт.год) при експлуатації у тропічних умовах і відповідно зменшити вартість тонно-милі морських перевезень.

Встановлено, що підвищення паливної економічності суднового ДВЗ обумовлюється перерозподілом складових теплового балансу та потоків механічної та теплової енергії.

В результаті експериментальних досліджень встановлений вплив глибини охолодження надувного повітря на основні показники суднового ДВЗ (pz, Пк,Tr,Gv,, ge) та встановлена раціональна нижня межа охолодження надувного повітря, яка в тропічних умовах склала 300…310 К.

В результаті математичного моделювання встановлено, що одномаксимумна модель достатньо адекватно описує робочий процес в судновому ДВЗ, який обладнаних комплексною системою охолодження надувного повітря. Максимальна похибка не перевищує 5%, а довірчий інтервал складає 0,95. Трьохмаксимумна модель більш точно описує робочий процес, її максимальна похибка не перевищує 7%, а довірчий інтервал - 0,93. Обидві моделі можуть використовуватися, як для дослідницьких цілей, так й для практичних розрахунків робочих процесів в суднових ДВЗ.

На основі математичного моделювання встановлений вплив глибокого охолодження надувного повітря на паливну економічність судового ДВЗ; визначені якісні та кількісні раціональні межі цих параметрів при охолодженні надувного повітря в тропічних умовах.

Показана можливість керування процесом розподілу теплової та механічної енергії, що дозволяє організувати раціональний робочий цикл суднового ДВЗ в тропічних умовах експлуатації.

Визначені шляхи подальшого вдосконалення робочого процесу в суднових ДВЗ з метою зниження питомої витрати палива за рахунок оптимізації складу систем охолодження та повітропостачання, а також за рахунок оптимального вибору діапазону та меж зміни параметрів елементів системи.

Література

1. Мошенцев Ю.Л., Тимошевский, Б.Г., Бао В.Д. Охлаждение надувного воздуха с использованием воздушной холодильной машины// Авіаційно-космічна техніка і технологія: Збірник наукових праць- Харків: ХАИ, 2001.-випуск 23. С. 90-92.

2. Мошенцев Ю.Л., Бао В.Д. Влияние охлаждения надувного воздуха на рабочий цикл турбопоршневого двигателя// Авіаційно-космічна техніка і технологія: Збірник наукових праць - Харків: ХАИ, 2002.- випуск 30. С.33-36.

3. Тимошевский, Б.Г., Мошенцев Ю.Л., Бао В.Д. Повышение эффективности судового двигателя внутреннего сгорания путем совершенствования системы воздухоснабжения// Український державний морський технічний університет: Збірник наукових праць - Миколаїв: УДМТУ, 2003.- № 2 (388). С. 67-75.

4. Ву Дык Бао. Определение параметров процесса сжатия в турбокомпрессоре судового двигателя внутреннего сгорания при использовании внутреннего охлаждения // Український державний морський технічний університет: Збірник наукових праць - Миколаїв: УДМТУ, 2003.- № 3 (389). С. 87-93.

5. Ву Дык Бао. Особенности влияния охлаждения надувного воздуха на параметры циклов различных комбинированных двигателей // Український державний морський технічний університет: Збірник наукових праць - Миколаїв: УДМТУ, 2003.- № 4 (390). С. 59-66.

Размещено на Allbest.ru