Підвищення прийомистості суднового дизеля із гвинтом, крок якого регулюється

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ

(ОНМА)

ПІДВИЩЕННЯ ПРИЙОМИСТОСТІ СУДНОВОГО ДИЗЕЛЯ З ГВИНТОМ, КРОК ЯКОГО РЕГУЛЮЄТЬСЯ

05.05.03 - двигуни та енергетичні установки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Брошков Сергій Дмитрович

Одеса - 2009

АНОТАЦІЯ

Брошков С.Д. Підвищення прийомистості суднового дизеля із гвинтом, крок якого регулюється. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук. Спеціальність 05.05.03 - Двигуни та енергетичні установки. Одеська національна морська академія, Одеса, 2009 р.

Дисертаційна робота присвячена підвищенню прийомистості пропульсивного комплексу з ГКР, при відсутності аварійних перевантажень дизеля. Для характеристики динамічних якостей транспортних дизелів на режимах прийому навантаження використане поняття прийомистості. Динамічні якості транспортних суден залежать від прийомистості пропульсивного комплексу, яка змінюється шляхом зміни кроку ГКР, за законом який не допускає виникнення неприпустимих теплових та механічних перевантажень деталей двигуна. Керування прийомистістю пропульсивного комплексу дозволяє одержати завданий (гарантований) рівень безпеки судноплавства, підвищити надійність пропульсивного комплексу й поліпшити маневрені характеристики судна.

У дисертаційному дослідженні отримані теоретичне узагальнення й нове рішення науково-практичної задачі роботи дизеля в пропульсивному комплексі із ГКР на несталих режимах з обґрунтованим обмеженням показників механічної й теплової напруженості й, як наслідок, підвищення надійності роботи дизеля із ГКР при маневрах судна.

Ключові слова: дизель, температурні й механічні перевантаження, гвинт регульованого кроку, обмежники навантаження.

АННОТАЦИЯ

Брошков С.Д. Повышение приёмистости судового дизеля с винтом регулируемого шага. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук. Специальность 05.05.03 - Двигатели и энергетические установки. Одесская национальная морская академия, Одесса, 2009 г.

Диссертационная работа посвящена повышению приёмистости пропульсивного комплекса с винтом регулируемого шага, при отсутствии аварийных перегрузок дизеля. Для характеристики динамических качеств транспортных дизелей на режимах приема нагрузки использованное понятие приёмистости. Динамические качества транспортных судов зависят от приёмистости пропульсивного комплекса, которая изменяется путем изменения шага винта регулируемого шага, по закону который не допускает возникновения недопустимых тепловых и механических перегрузок деталей двигателя. Управление приёмистости пропульсивного комплекса позволяет получить заданный (гарантированный) уровень безопасности судоходства, повысить надежность пропульсивного комплекса и улучшить маневренные характеристики судна.

В диссертационном исследовании получено теоретическое обобщение и новое решение научно-практической задачи, а именно работы дизеля в пропульсивном комплексе с ВРШ на неустановившихся режимах с обоснованным ограничением показателей механической и тепловой напряженности и, как следствие, повышения надежности работы дизеля с ВРШ при маневрах судна. Наиболее важным научным и практическим результатом является улучшение показателей рабочих процессов дизеля, работающего на ВРШ на режимах его нагружения за счет рационального и научно-обоснованного использования законов управления и их реализации.

В результате исследований разработана математическая модель для расчета рабочих процессов в дизеле, системах управления и ограничителях нагрузки при его работе на переменных режимах. Они позволяют проанализировать влияние настроечных параметров систем управления, РЧВ и ограничительных устройств на показатели рабочего процесса дизеля при приёме нагрузки на маневренных режимах работы судна. Разработанные модели адаптированы к инженерным расчетам дизеля и систем управления.

Установлено, что известные решения ограничителей нагрузки на ВРШ позволяют снизить величину и продолжительность возникающих в главном дизеле перегрузок при маневрах судна, но полностью предотвратить перегрузки не могут из-за инерционности системы газотурбинного наддува. В связи с этим, необходимо принимать дополнительные меры по защите дизеля от перегрузок при маневрах судна, даже при наличии известных ограничителей нагрузки.

Установлено, что при маневрах судна с главным СОД, работающим на ВРШ, возникают существенные изменения показателей механической и тепловой напряженности дизеля, на установившихся режимах, причем наибольшее отклонение от значений на установившихся режимах среди этих показателей имеют максимальная температура газов на линии расширения и коэффициент избытка воздуха.

Установлено, что защиту главного дизеля от перегрузок на маневренных режимах судна можно обеспечить, используя ограничения по показателям рабочего процесса дизеля: коэффициенту избытка воздуха и максимальной температуре газов на линии расширения, максимальному давлению сгорания, максимальной скорости нарастания давления газов.

Показано, что для эффективной защиты дизеля от перегрузок в пропульсивном комплексе с ВРШ на маневрах судна целесообразно использовать замедление темпа изменения шага винта с учетом того, что имеется диапазон значений шага винта, в пределах которого замедление не требуется из-за инерционности механизма изменения шага. Данный диапазон должен быть обоснован (рассчитан) для каждого типа судов.

Установлено, что закон управления изменения шага винта наиболее целесообразно реализовать по логарифмической зависимости, которая для упрощения реализации может быть аппроксимирована ступенчатой функцией, что практически не ухудшает приёмистость пропульсивного комплекса (разработанная методика позволяет определить рациональное количество ступеней и их длительность для нагружения СОД с ВРШ).

Ключевые слова: дизель, температурные и механические перегрузки, винт регулируемого шага, ограничители нагрузки

енергія судно двигун навантаження

THE SUMMARY

Broshkov S.D. Increasing acceleration of ship's diesel engine propeller with adjustable pitch. - The dissertation is the manuscript.

Dissertation on competition of scientific degree of candidate of engineering sciences. Specialty 05.05.03 - Engines and power plants. Odessa National Maritime Academy, Odessa, 2009.

The paper is devoted to actual problems of improving acceleration ship's diesel engine with adjustable pitch propeller, without dangerous overloads engine. One of the most important factors determining the reliability of marine energy installations are reasonable restriction parameters and thermal mechanical tension. The thesis by rational and evidence-based use of automation means improved run processes in diesel mode loading medium speed diesel, working with adjustable pitch propeller.

A method of quantifying the range arm movement control, in which the medium speed diesel overload does not occur and recommendations to choose the optimal law loading medium speed diesel, working with adjustable pitch propeller.

Keywords: diesel, thermal and mechanical handling, screw adjustable step load caps

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У наступній час значна частина вантажів перевозиться морськими суднами та суднами типу «ріка-море», на яких застосовуються силові енергетичні установки з середньообертовим дизелем (СОД) та гвинтом, крок якого регулюється (ГКР). На цих суднах під час маневрування при роботі енергетичних установок на несталих режимах виникає необхідність захисту дизеля від перевантажень. Ця практична проблема виникає тоді, коли в умовах обмеженого часу оператор (судноводій) на містку змінює завдання швидкості судна, керуючись суб'єктивними уявленнями про навігаційні обставини та можливості енергетичної установки, що створює небезпеку. За таких умов операторської діяльності виникає потреба у розробці науково обґрунтованого алгоритму управління силовою енергетичною установкою.

На жаль, за браком теоретичної бази з роботи силової енергетичної установки на несталих режимах руху судна, удосконалення операторської діяльності стає проблематичним. Тому проблема управління прийомистістю пропульсивного комплексу судна стає актуальною, а її вирішення підвищує надійність пропульсивного комплексу та рівень безпеки судноплавства за рахунок поліпшення маневрених характеристик судна.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами.

Робота виконана відповідно до Державної програми розвитку промисловості на 2003 - 2011 роки (частина VI), затвердженої постановою Кабінету Міністрів України від 28.07.2003, № 1174. Тема дисертаційної роботи пов'язана з держбюджетною НДР «Удосконалювання технічної експлуатації суднових енергетичних установок транспортних суден» (ДР № 0102U007164), у якій авторові належить самостійно виконаний розділ «Дослідження процесу навантаження середньооборотного дизеля із гвинтом регульованого кроку».

Мета та задачі дослідження. Мета дослідження - підвищення морехідної безпеки судна шляхом гарантовано безпечного управління силовою енергетичною установкою на несталих режимах.

Основна ідея полягає у тому, щоб на термін зміни швидкісного режиму руху судна забезпечити стійку роботу головного двигуна без перевантажень.

Головна задача дослідження - встановлення закономірностей перерозподілу енергії в судновій енергетичній установці та керуючих впливів на прискорення руху судна. Для її вирішення необхідно здійснити:

§ ідентифікацію параметрів руху судна на несталих режимах та робочі процеси дизеля, які протікають у цей час, з обґрунтуванням критеріїв для оцінки теплової та механічної напруженості;

§ розробку математичної моделі об'єкту дослідження, яка дозволяє аналізувати теплові та механічні перевантаження дизеля на несталих режимах з урахуванням конструктивних особливостей системи управління, регулятора частоти обертання (РЧО) та обмежувачів навантаження, вбудованих у РЧО та систему управління;

§ дослідження роботи пропульсивного комплексу за різних умов навантаження та налагодження засобів автоматизації;

§ розробку метода навантаження двигуна морського транспортного засобу, який дозволяє захистити його від перевантажень на маневрених режимах роботи судна.

Об'єкт дослідження - робочі процеси в дизелі суднового пропульсивного комплексу з ГКР на несталих режимах його роботи.

Предмет дослідження - прийомистість дизеля із ГКР на маневрах судна.

Методи дослідження, використані у роботі:

§ системного аналізу та дослідження операцій для встановлення структурних зв'язків між елементами пропульсивного комплексу та декомпозиції об'єкту дослідження;

§ структурного, функціонального та параметричного аналізу законів управління пропульсивного комплексу при навантаженні дизеля;

§ фізичного та математичного моделювання пропульсивного комплексу для дослідження процесів у дизелі, гідравлічній системі ГКР, обмежувачах навантаження та руху судна в цілому;

§ математичної статистики та чисельного аналізу результатів експериментів і визначення імовірнісних характеристик збурюючих впливів на енергетичну установку;

§ експериментального виміру показників фізичних процесів, які протікають у реальному масштабі часу в об'єкті дослідження на несталих режимів роботи пропульсивного комплексу;

§ регресійного та кореляційного аналізу результатів експериментальних вимірів для побудові емпіричних залежностей.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що для забезпечення морехідної безпеки судна вперше запропоновано метод максимальної прийомистості пропульсиного коплексу.

При цьому вперше:

§ запропоновано зону робочих режимів дизеля на несталих режимах роботи визначати узагальненим критерієм обмеження (K_i - K_iном) ? ?K_еталон за параметрами: максимальної температури робочого тіла на лінії розширення, коефіцієнта надлишку повітря, максимального тиску згоряння, максимальної швидкості наростання тиску робочого тіла;

§ взаємозв'язок між прийомистістю судна та характеристиками елементів пропульсивного комплексу представлено у вигляді математичної моделі поступового руху судна, з вихідним параметром ?K_еталон та додатковими вхідними параметрами: завданням кроку гвинта та швидкість його зміни; завдання частоти обертання СОД; завдання величини обмеження кроку гвинта;

§ встановлено, що крок гвинта нелінійно залежить від характеристик навантаження на СОД, визначення котрих здійснюється за допомогою запропонованої автором математичної моделі обертального руху комплексу «дизель-передача-рушій».

§ удосконалена методика побудови алгоритму для зміни завдання на управління енергетичною установкою у мікропроцесорній системі дистанційного ДАУ, яка містить виявлену автором нелінійну залежність кроку гвинта від навантаження СОД.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що розроблений спосіб, який містить новий метод, інженерну методику та алгоритми, дозволяє підвищити рівень управління безпекою транспортного засобу, а також номінувати поточні експлуатаційні витраті.

Результати дисертаційного дослідження впроваджені: у ВАТ «Українське Дунайське пароплавство» (інженерна методика, алгоритм та програми розрахунку на ЕОМ для налагодження систем ДАУ на судах типу «Ізмаїл» з СОД у складі пропульсивного комплексу з ГКР; акт впровадження від 15.08.2007 року); у навчальному процесі ОНМА при підготовці бакалаврів, фахівців і магістрів (моделювання динаміки СОД, налагодження обмежувачів навантаження дизеля з ГКР; акт впровадження від 22.10.2008 року).

Особистий внесок здобувача. Постановка задач дослідження виконана разом з керівником. Усі інші наукові результати досліджень та розробки дисертаційної роботи отримані здобувачем самостійно.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи були оприлюднені на:

§ Міжнародній науково-технічній конференції «Сучасне судноплавство та морська освіта» (м. Одеса, 2004 р.);

§ XV Міжнародній конференції з автоматичного керування «Автоматика - 2008» (м. Одеса, 2008 р.);

§ наукових і науково-методичних конференціях професорсько-викладацького складу ОНМА з 2000 по 2007 рр.

Публікації. Основні положення та наукові результати роботи відбиті у 6 наукових статтях у виданні, що входить до Переліку ВАК України для публікації результатів дисертаційних досліджень.

Структура роботи. Робота складається з вступу, п'яти глав, висновків, додатків та списку використаної літератури з 138 найменувань. Повний обсяг роботи становить 212 с., з яких 139 с. - текст дисертації, 47 рис. на 30 с., 7 таблиць на 3 с., додатки на 15 с.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі, об'єкт і предмет дослідження; відображена наукова новизна, практичне значення отриманих результатів та інформація про їх апробацію.

У першому розділі на основі методу дедукції здійснено огляд результатів наукових досліджень роботи пропульсивних комплексів при маневрах суден підвищення їхньої надійності. Розглянуті дослідження були умовно розподілені на три напрями: робочі процеси дизеля; критерії для оцінки теплових та механічних перевантажень; математичне моделювання.

У першому напряму в працях В.І. Небеснова, В.А. Залітіса, M.J. Parsons, П.С. Суворова , В.І. Самсонова, В.І. Крутова запропоновані методологічні підходи до дослідження перехідних процесів суднових енергетичних установок при розгоні судна і показано, що їх динаміку можна розглядати тільки з урахуванням взаємодії з позиції 3-х основних факторів: безпека, надійність та економічність. У працях В.А. Амахіна для оцінки перевантажень дизелів з ГКР застосовано комплекс еталонних теплотехнічних параметрів, отриманих за даними стендових випробувань групи нових однотипних двигунів. Оцінка величини перевантажень і визначення причинно-наслідкового зв'язку їхнього виникнення виробляється по відносній величині відхилення цих параметрів від середніх еталонних значень.

В.Г. Івановським запропонована методика оптимізації спільної роботи ГД і ГКР по критерію - мінімальна витрата палива на 1 милю шляху із заданою швидкістю. А.В. Козьміних, А.П. Радченко запропонували виконувати оптимізацію резервного дизель-генератора судна по параметрах теплової напруженості навантаження та припустимого темпу його зростання. У працях Н.В. Петровського, М.А. Брука, А.А. Ріхтера, Boy Peter виконана ідентифікація експлуатаційних режимів дизелів з урахуванням протікання робочих процесів у циліндрі дизеля. С.І. Горбом представлені методологічні підходи та проведено комплексне дослідження процесів у пропульсивному комплексі з ГКР при хвилюванні з деталізованим обліком великої кількості чинників.

У другому напряму, при огляді існуючих критеріїв для оцінки теплової та механічної напруженості СОД, які працюють на ГКР, показано, що в цей час відсутні методологічні підходи для обрання. В основному вони розроблялися та апробувалися для конкретних задач: на сталих режимах роботи дизелів, для їх різного типу, для різного типу рушіїв т.і. Наприклад, критерії, запропоновані А.К. Костіним, М.К. Овсянніковим, В.С. Семеновим, засновані на визначенні умовних термічних напруг у деталях ЦПГ на сталих режимах. Критерії П.С. Суворова, П.В. Бойко розроблялися для оцінки теплової і механічної напруженості на несталих режимів з ГКР або з гвинтом фіксованого кроку.

У третьому напряму виконана класифікація математичних моделей за двома ознаками: ступенем деталізації робочих процесів і межами зміни робочих параметрів, що допускають при моделюванні. В.С. Наливайко проаналізував основні існуючі методи математичного моделювання перехідних процесів промислових дизелів з наддувом. Запропоновано підходи, що дозволяють обґрунтувати основні напрями в спрощенні або деталізації процесів при моделюванні дизеля на режимах навантаження. І.А. Лабун, А.М. Белостоцький, М.І. Циркін основну увагу приділяли збільшенню ступеня деталізації робочих процесів, обґрунтовані припущення при моделюванні, облік нелінейностей і заміни експериментальних характеристик аналітичними. А.І. Володин, В.С. Наливайко, Ю.С. Ждановський проаналізували основні існуючі методи математичного моделювання перехідних процесів промислових дизелів з наддувом. Запропоновано методи математичного моделювання динаміки суднових пропульсивних комплексів на їх різних режимах експлуатації.

Підводячи підсумки огляду виконаних досліджень, можна стверджувати, що найменш вивченими залишаються режими роботи дизеля у складі пропульсивного комплексу судна на несталих режимах (пуск; прогрів; зупинка; перехід з одного швидкісного режиму на іншій) через недостатню теоретичну базу, починаючи від вихідних вимог, і закінчуючи методиками й процедурами дослідження. Для кожного з цих режимів можна виділити ряд проблем, що представляють собою сукупність складних теоретичних і практичних питань, потребуючих рішення.

Другий розділ присвячено методологічному забезпеченню рішення найважливішої, з нашої точки зору, проблеми - дослідженню роботи судна з СОД та ГРК при переході з одного швидкісного режиму на інший при маневрах.

Виникнення цієї проблеми пов'язано з тим, що в умовах обмеженого часу при завданні швидкості судна оператор керується суб'єктивними уявленням про навігаційний стан й можливості енергетичної установки. При цьому можливо виникнення двох, вкрай небажаних явищ:

§ недовикористання потужності енергетичної установки й погіршення маневрених показників роботи судна - коли оператори переміщують орган управління занадто повільно, побоюючись перевантажити головний двигун;

§ перевантаження дизелів - коли оператори вважають, що вправі переміщати орган управління з будь-якою великою швидкістю.

У деяких системах ДАУ, передбачений сповільнювач швидкості переміщення органу управління. Однак, при цьому, відсутні рекомендації з його настроювання. Як наслідок необґрунтованого вибору темпу навантаження, із часом на кришках циліндрів утворюються тріщини, обриви тарілок або наскрізне прогоряння клапанів і т.д.

Таким чином, існує необхідність у розробці науково обґрунтованого алгоритму управління силовою енергетичною установкою під час маневрів.

Ґрунтуючись на роботах А.В. Антонова й І.І. Кринецького стосовно до теорії вибору, на основі результатів огляду літературних джерел з урахуванням особливостей роботи дизеля на несталих режимах у складі пропульсивного комплексу морського транспортного засобу, для оцінки динамічних якостей судна запропоновано використати прийомистість.

В якості робочої гіпотези пропонується ідея, згідно з якою максимальне поліпшення динамічних якостей судна можливо лише при найбільшем зближенні залежностей потужності СОД та виникнення неприпустимих теплових і механічних перевантажень деталей двигуна від числа обертів колінчастого валу - тобто необхідно знайти точку їх перетину.

Головна задача дослідження полягає у встановленні закономірностей перерозподілу енергії в судновій енергетичній установці й керуючих впливів на прискорення руху судна. Для рішення головної задачі необхідно здійснити: а) ідентифікацію параметрів руху судна на несталих режимах та робочі процеси дизеля, які протікають у цей час, з обґрунтуванням критеріїв для оцінки теплової та механічної напруженості; б) розробку математичної моделі об'єкту дослідження, що дозволяє аналізувати теплові та механічні перевантаження дизеля на несталих режимах з урахуванням конструктивних особливостей системи управління, регулятора частоти обертання (РЧО) та обмежувачів навантаження, вбудованих у РЧО та систему управління; в) дослідження роботи пропульсивного комплексу за різних умов навантаження та налагодження засобів автоматизації; г) розробку метода навантаження двигуна морського транспортного засобу, яка дозволяє захистити його від перевантажень на маневрених режимах роботи судна. Об'єктом дослідження є робочі процеси в дизелі суднового пропульсивного комплексу з ГКР на несталих режимах роботи. Предметом дослідження є прийомистість дизеля із ГКР на маневрах судна.

Підвищення прийомистості дизеля з ГКР на маневрах судна у такій постановці розглядається вперше.

Науково обґрунтований алгоритм управління силовою енергетичною установкою найпростіше можливо реалізувати у мікропроцесорних систем ДАУ, які здобули широке розповсюдження на суднах. Звичайно, такі системи мають у своєму розпорядженні достатню кількість резервних блоків, які можуть бути використані для реалізації цих алгоритмів. Це дозволяє стверджувати про здійсненність та простоту впровадження результатів досліджень по даній тематиці, а витрати на її реалізацію незначні й швидко окупляться. У такий спосіб економічна ефективність і значимість дослідження, не викликають сумнівів.

В основу методології наукового дослідження покладений системний підхід із класифікаційними ознаками до систем, що містять: спільність і розвиток, поводження, взаємозв'язок елементів і складність реалізованих функцій. У транспортному комплексі «дизель-передача-рушій»найменш вивчені зв'язки та відносини між його елементами на несталих режимах.

Технологія наукового дослідження надана у технологічної карти дослідження, де наведені послідовні роботи, а також обґрунтований вибір задач та методів їх вирішення.

На першому етапі, використовуючи методи системного аналізу і дослідження операцій, здійснювався теоретичний аналіз проблеми, визначалися й конкретизувалися об'єкт та предмет дослідження, розроблялися гіпотеза, уточнювалися завдання дослідження, аналізувалися шляхи удосконалення робочих процесів СОД з ГКР, з метою підвищення їхньої прийомистості, а також вибір оптимальних режимів спільної роботи головних СОД і ГКР. Другий етап - структурний, функціональний і параметричний аналіз, уточнення мети, гіпотези, завдань та назви теми дослідження. Третій етап - опис процесів, які протікають в судновому пропульсивному комплексі з ГКР та їх математичне моделювання. Четвертий етап - науковий пошук (теоретичні й експериментальні дослідження), уточнення фізичної суті досліджуваного об'єкту, розробка теорії, наукове обґрунтування методики і вибір технічної бази експериментальних досліджень, їх проведення, обробка й аналіз результатів дослідження, формулювання наукового положення та результатів дослідження, оформлення та їх обговорення на конференціях. П'ятий етап - впровадження, яке здійснювалося шляхом виконання дослідно-конструкторських та доводочних робіт при модернізації систем управління суднового пропульсивного комплексу з ГРК.

Для дослідження пропульсивного комплексу у якості фізичної моделі обрано СОД типів СЕМТ «Пилстик» 18 РС2.2V та Wartsila Vasa 6R32BC, які працюють на ГКР типу KaMeWa. Значення параметрів частоти обертів турбокомпресора, шаг гвинта, подача палива, температура робочого тіла об'єкту дослідження реєструвалися за допомогою тензометричних та індуктивних датчиків штатної контрольно-вимірювальної апаратури мікропроцесорної системи управління, яка дозволяє одночасно одержувати значення 10 контрольованих параметрів з інтервалом в 1 с. Відносна погрішність вимірювальної апаратури була не гірше 2,5 %. Тиск газів у циліндрі дизеля визначався з використанням штатної вимірювальної системи фірми "Autronica".

Встановлено найбільш раціональні критерії для оцінки перевантажень: теплових - максимальна температура газів на лінії розширення Т_z і коефіцієнт надлишку повітря при згорянні в циліндрі дизеля ? як параметри, що характеризують перевантаження; механічних - максимальний тиск у циліндрі р_z і максимальну швидкість наростання тиску в циліндрі дизеля (?p/??)_ср.

Граничними значеннями параметрів суднового пропульсивного комплексу з ГКР прийняті значення на сталому режимі роботи дизеля з 10 % перевантаження, як рекомендовано більшістю дизелебудівних компаній.

Третій розділ присвячено вирішенню теоретичної задачі дослідження - розробці математичної моделі навантаження дизеля, особливістю якої є урахування взаємодії між судовим дизелем, системою управління та обмежувачами навантаження при одночасному високому ступені деталізації робочих процесів дизеля з використанням відомих на цей час емпіричних і напівемпіричних залежностей. Уточнення моделі досягнуте моделюванням нелінійності системи управління СОД з ГКР, обмежувача навантаження та РЧО. Математична модель побудована на модульному принципі з можливістю різної деталізації процесів в елементах пропульсивного комплексу і, відповідно до вимог системного підходу, охоплює всі елементи пропульсивного комплексу, які взаємодіють на несталих режимах.

Розрахунок робочих процесів у циліндрі дизеля, випускному колекторі та ресивері продувного повітря виконується методом їх чисельного моделювання, відповідно до якого для їхнього опису використано три рівняння: першого закону термодинаміки, масового балансу, стану. Робоче тіло розглядається у вигляді суміші, що складається з повітря та "чистих" продуктів згоряння. Рівняння записуються в диференційній формі та вирішуються спільно на кожному кроці розрахунку.

Для моделювання процесу тепловиділення при навантаженні дизеля використана залежність, запропонована В.І. Квятковським та B.C. Семеновим. Вона апроксимована за допомогою навантажувальних критеріїв, які безпосередньо пов'язані з масою палива, уприснутого як за період затримки самозапалювання, так і протягом усього процесу упорскування палива. Для коефіцієнтів m_z (визначає характер розвитку процесу згоряння) і ?_z (визначає тривалість згоряння) запропоновані розрахункові вирази, що модернізують формули G. Woshni. Період затримки самозапалювання визначається по формулі А.І. Толстова в модифікації Ю.Т. Єрьоміна. Кількість теплоти, віддана газами стінкам циліндра, знаходиться за рівнянням тепловіддачі з урахуванням зміни площі поточної поверхні теплообміну. Коефіцієнт тепловіддачі від газів до стінок розраховується за залежністю, отриманою G. Hohenberg. Температура поверхні теплообміну визначається в результаті розрахунку теплопередачі через плоску стінку, що імітує деталі ЦПГ, а зміна температури у товщині стінки знаходиться із рівняння теплопровідності, що вирішується методом кінцевих різниць.

Витрату газів і повітря через органи газорозподілу та сопловий апарат турбіни визначаються з рівняння витікання сталого потоку. У випускному колекторі гідравлічні втрати за турбіною та теплові втрати в стінці колектора розраховуються залежно від витрати газів. Також ураховується перетворення кінетичної енергії потоку в потенційну енергію підвищеного тиску газів. Зміна ефективного прохідного перерізу соплового апарата та коефіцієнта тепловіддачі від газів до стінок колектора, а також адіабатний ККД турбіни задано критерійними залежностями.

Для дослідження процесів навантаження дизеля запропоновано використання спрощених залежностей. Аналітичний розрахунок коефіцієнта надлишку повітря на маневрових режимах досить складний. Тому для його оцінки запропоновано використовувати емпіричну залежність:

погрішність обчислення по якої не перевищує ~ 10 %, що дозволяє вірогідно оцінити процеси у циліндрі дизеля та турбокомпресорі.

Витрата повітря через компресор в моделі визначалася за емпіричною залежністю скоректованої для СОД.

Обертаючий момент дизеля визначається відповідно з принципом Д'Аламбера з урахуванням механічних витрат у передачі "дизель - гребний гвинт". Сигнал від органу управління моделюється за наступною залежністю:



де W_нач - вихідної відносне значення положення органу управління; W_кон - кінцеве відносне значення положення органу управління; t_пер - тривалість переміщення органу управління, с; t - поточний час, с.

Для визначення температури газів, що надходять у колектор з циліндру, були використані емпіричні залежності температур газів перед турбіною на сталих режимах. Ці залежності враховують реальні втрати тепла в систему охолодження двигуна та випускного колектора при навантаженні дизеля. Витрата газу через турбіну та потужність N_т в моделі визначиться з її термодинамічного розрахунку при заданих параметрах газу перед турбіною - тиску р_т і температур Т_т, площі перетину соплового апарата, ступеня реактивності та внутрішньому ККД турбіни.

З урахуванням обґрунтованих критеріїв, у рамках вирішення третьої задачі був виконаний структурний аналіз об'єкта та побудована його функціональна схема. На основі функціональної схеми розроблена структурна схема, в якій враховано вплив на процеси навантаження дизеля із ГКР:

§ конструктивних особливостей гвинта, корпуса судна і його швидкості;

§ особливостей систем сповільнювачів темпу навантаження та обмежувачів навантаження, що використовуються.

Отримана модель забезпечує моделювання динаміки пропульсивного комплексу із СОД, що працює на ГКР. При цьому в діапазоні потужностей від 10 до 80 % кроку гвинта середньоквадратичне відхилення кожного окремо взятого параметра робочого процесу не перевищує 10 %, що дозволяє використати дану модель для дослідження прийомистості дизеля на маневрених режимах роботи судна. Особливістю моделі застосовуваної у роботі є сполучення високого ступеня деталізації робочих процесів дизеля з використанням емпіричних залежностей. Значне уточнення моделі досягнуто моделюванням нелінейностей системи управління СОД із ГКР, обмежувача навантаження та РЧО.

У спрощеному вигляді математичну модель можна представити системою:

Таким чином, встановлений взаємозв'язок між прийомистістю судна та характеристиками елементів пропульсивного комплексу, представлений у вигляді математичної моделі поступового руху судна (вихідний параметр ?K_еталон та додаткові вхідні параметри: завданням кроку гвинта та швидкість його зміни; завдання частоти обертання СОД; завдання величини обмеження кроку гвинта), дає можливість перейти до інженерного рішення питання.

У четвертому розділі проведений аналіз прийомистості пропульсивного комплексу морського транспортного засобу, що становить наступну задачу досліджень. Встановлено, що зміна налагодження гідравлічного обмежувача навантаження суднового дизеля, вбудованого в РЧО, не дозволяє ліквідувати його перевантаження. Так при збільшенні кута нахилу обмежувальної характеристики величина перевантаження не змінюється, а тривалість перевантаження зменшується. При зменшенні кута нахилу обмежувальної характеристики величина перевантаження також не змінюється, а тривалість перевантаження зростає. Більш того, при великому нахилі характеристики обмежувача виникають коливання параметрів у системі управління частотою обертів та кроку гвинта.

Встановлено, що наявність у системі управління обмежувача навантаження дозволяє знизити тривалість перевантажень, що виникають у дизелі при маневрах судна, але нажалю, повністю їх не усуває.

Встановлено також, що налагодження швидкодії обмежувача навантаження, також не дозволяє повністю запобігти виникненню перевантажень у дизелі (дослідження, що проведені на прикладі електронного обмежувача навантаження KaMeWa та дизеля фірми Wartsila). При навантаженні дизеля шляхом переміщення органу управління з нульового положення в положення 7 ум. од. видно, що обмежник вступає в дію після моменту максимального перевантаження, коли максимальна температура на лінії розширення вже починає зменшуватися. Підвищення швидкодії обмежувача не призвело до його упередженого впливу до навантаження, більше того, викликало коливання параметрів у системі управління частотою обертання та кроку гвинта.

При зміні впливу керування від нульового значення до 5 ум. од. у установках з зв'язаним управлінням частотою обертання та кроком гвинта, максимальна величина температурного перевантаження становить ~ 5 %, а механічного перевантаження при цьому не виникає зовсім. При переміщенні органу управління з нульового положення в положення 7 ум. од., максимальна величина температурного перевантаження становить 15 %, а механічної 10 %.

Це пов'язане з запізнюванням за часом росту тиску наддувочного повітря в порівнянні з подачею палива. У розглянутих вище випадках, при величинах впливів з регулюючим впливом 5 та 7 ум. од., запізнювання між тиском наддувочного повітря та подачею палива становить відповідно 9 та 18 с. Даний результат дозволяє стверджувати, що для СОД з зв'язаним управлінням частотою обертання та кроком гвинта мають місто перевантаження дизеля. Для їх усунення необхідно приймати заходи щодо його захисту як від теплових, так і механічних перевантажень.

Для перевірки достовірності встановлених закономірностей проведене експериментальне дослідження на теплоході «Татарбунари» ВАТ "Українське Дунайське пароплавство". При навантаженні дизеля переміщенням органу управління з нульового положення у положення 5 та 7 ум. од. спостерігається істотне запізнювання частоти обертання вала турбокомпресора щодо подачі палива. Це викликає падіння коефіцієнта надлишку повітря, і як наслідок, ріст максимальної температури згоряння, тобто дизель піддається тепловим перевантаженням. У результаті експерименту встановлено, що в діапазоні кроку гвинта від 0 до 40 % номінального значення перевантаження дизеля не виникають. Це пов'язане з тим, що запобігання перевантажень при цьому забезпечується інерційністю протікання процесів у гідравлічної системи ГКР. Таким чином, експериментальне дослідження підтвердило висновки теоретичного дослідження об'єкту.

Встановлено, що уповільнення сигналу завдання при переміщенні органу управління механізму по 0,5 ум. од. з витримкою часу протягом 2 с у діапазоні від 0 до 7 ум. од. призводить до значного погіршення маневрових якостей судна. Вибіг судна без затримки сигналу склав ~ 14 м, із ~ 7,5 м. Найбільш раціонально використовувати уповільнення сигналу завдання при переміщенні органу управління механізму по 0,5 ум. од. з витримкою часу протягом 2 с у діапазоні від 3 до 7 ум. од., що не приводить до значного погіршення маневрових якостей судна (рис. 6). Також встановлено, що темп уповільнення сигналу управління від органу управління до механізму зміни кроку доцільно вибирати залежно від початкового значення завантаження дизеля. Чим вище початкове значення завантаження дизеля, тим більше треба уповільнювати темп, навіть при незначних переміщеннях органу управління. Так при навантаженні дизеля переміщенням органу управління з положення 5 ум. од. у положення 7 ум. од. спостерігалися перевантаження дизеля. Використання уповільнення в цьому діапазоні дозволяє усунути його перевантаження за рахунок збільшення вибігу судна всього на 2 м.

Таким чином, встановлено, що крок гвинта нелінійно залежить від характеристик навантаження на СОД, а його визначення здійснюється за допомогою математичної моделі обертального руху комплексу «дизель-передача-рушій». Вид закону навантаження СОД з ГКР практично не впливає на виникнення перевантажень в дизелі. Спостерігається практично повна ідентичність процесів при використанні логарифмічного та ступінчастого закону навантаження. Показано, що мінімальні перевантаження досягаються при використанні логарифмічного закону, але його доцільно апроксимувати ступінчастим, більш приємним для реалізації сучасними технічними засобами При цьому результат - вибіг судна - збільшується лише на 0,5 м.

У п'ятому розділі, присвяченому вирішенню останньої задачі дисертаційного дослідження, сформульовані основні вимоги до налагодження і напрями модернізації обмежувачів навантаження, які реалізують пропорційно-інтегральний закон регулювання сигналу обмеження. Він виробляється по розузгодженню заданого оператором з пульта значення навантаження і дійсного навантаження дизеля, визначуваної по ходу рейки паливних насосів. Надмірне збільшення пропорційної складової обмежувача навантаження К_р може призвести до погіршення маневрових характеристик судна: збільшується час перекладання лопастей ГКР. Час стабілізації частоти обертів ? і подачі палива h_с міняються незначно, проте, при великих значеннях К_р з'являється затримка по подачі палива. Враховуючи інерційність турбокомпресора при збільшенні подачі палива спільно з падінням частоти обертів, можуть виникати температурні перевантаження ГД. При зміні інтегральної складової обмежувача К_и в діапазоні від 0,01 до 0,04 ум. од. збільшується час виведення кроку гвинта на задане значення. Час стабілізації всіх параметрів при збільшенні К_и міняється значно (збільшується десь на 10 с), тобто значно погіршуються маневрові характеристики судна.

Розроблено методику, що дозволяє навантажувати СОД у складі пропульсивного комплексу з ГКР на маневрах судна практично без перевантажень дизеля у всьому діапазоні переміщення органу управління. Словесний алгоритм визначення закону управління наступний.

Крок 1. Проводиться математичне моделювання динаміки дизеля, системи управління, обмежувачів навантаження з урахуванням їх особливостей.

Крок 2. Проводиться розрахунок кількості ступенів при зміні кроку гвинта у законі управління від 0 до 100 %.

Крок 3. Визначається максимальне переміщення органу управління з нульового положення, при якому максимальна температура в циліндрі дизеля на лінії розширення не перевищує максимальної температури навантаження дизеля, тобто набуваємо значення «безпечного переміщення».

Крок 4. Визначається кількість ступенів навантаження у законі управління, що доводяться на «безпечне переміщення». У цьому діапазоні затримка уповільнення не вводиться (слід навантажувати за лінійною залежністю). Подальше навантаження проводиться із затримкою часу, яка визначається по кількості ступенів

,

де W_з - задане переміщення органу управління, %; N_ст100 - кількість ступенів навантаження отриманих при ступінчастому навантаженні від 0 до 100 %; N_стбп - кількість ступенів навантаження, які включає навантаження до «безпечного переміщення».

Як показала велика кількість проведених досліджень застосування методики дозволяє модернізувати систему управління так, щоб при миттєвій зміні сигналу завдання на будь-яку величину, дизель не набував перевантажень, не залежно від його початкового завантаження.

ВИСНОВКИ

У дисертаційному дослідженні отримано теоретичне узагальнення і нове рішення науково-практичної задачі роботи дизеля у пропульсивному комплексі з ГКР на несталих режимах з обґрунтованим обмеженням показників механічної і теплової напруженості і, як наслідок, підвищенням надійності роботи дизеля з ГКР при маневрах судна. Найбільш важливим науковим і практичним результатом є запропонований метод поліпшення динамічних якостей судна (прийомистості) за рахунок використання максимально припустимої потужності СОД, без виникнення неприпустимих теплових і механічних перевантажень ЦПГ, за рахунок раціонального і науково-обґрунтованого використання засобів автоматизації.

При цьому встановлено наступне.

Вперше визначена зона робочих режимів дизеля на несталих режимах роботи, яка визначається у загальному вигляді критерієм (K_i - K_iном) ? ?K_еталон за параметрами: максимальна температура робочого тіла на лінії розширення та коефіцієнт надлишку повітря - як критерії для обмеження теплової напруженості; максимальний тиск згоряння та максимальна швидкість наростання тиску робочого тіла - як критерії для обмеження механічної напруженості.

Вперше встановлений взаємозв'язок між прийомистістю судна та характеристиками елементів пропульсивного комплексу представлено у вигляді математичної моделі поступового руху судна, з вихідним параметром ?K_еталон та додатковими вхідними параметрами, завданням: кроку гвинта та швидкість його зміни; частоти обертання СОД; величини обмеження кроку гвинта. Математична модель адаптована до інженерних розрахунків та дозволяє детально проаналізувати вплив конструктивних особливостей систем управління, РЧО і обмежувальних пристроїв на показники робочого процесу дизеля при прийомі навантаження на маневрених режимах роботи судна.

Крок гвинта нелінійно залежить від характеристик навантаження на СОД, а його визначення здійснюється за допомогою математичної моделі обертального руху комплексу «дизель-передача-рушій». Вперше розроблені корективи до закономірностей управління енергетичною установкою, яка управляється за допомогою мікропроцесорної системи дистанційного управління (ДАУ), що дозволяє вносити такі зміни. Встановлено, що відомі обмежувачі навантаження, які впливають на ГКР, дозволяють зменшити величину і тривалість перевантажень, що виникають в головному дизелі при маневрах судна, однак повністю запобігти перевантаженням не можуть. Це пов'язано з інерційністю системи газотурбінного наддуву. Таким чином, навіть за наявності відомих обмежувачів навантаження необхідно приймати заходи до захисту дизеля від перевантажень при маневрах судна.

Удосконалена методика зміни завдання на управління енергетичною установкою, у складі мікропроцесорної системи ДАУ. Закон зміни кроку гвинта в системах ДАУ найдоцільніше реалізувати по логарифмічній залежності, яка для спрощення може бути апроксимована ступінчастою функцією, що практично не погіршує прийомистість дизеля. Розроблена методика дозволяє визначити раціональну кількість ступенів та їх тривалість для навантаження СОД з ГКР.

В результаті досліджень знайдено практичне рішення та дані практичні рекомендації щодо захисту СОД з ГКР від перевантажень при маневрах судна, налаштовування обмежувачів навантаження СОД, що працюють на ГКР, а також обґрунтовані шляхи вдосконалення законів їх роботи для підвищення прийомистості пропульсивного комплексу.

Результати дисертаційного дослідження рекомендуються для використання: на підприємствах і в організаціях морського і річкового транспорту, які займаються експлуатацією суднових дизелів; на заводах суднобудівної галузі та їх конструкторських і науково-дослідних інститутах для налаштовування засобів автоматизації суднового пропульсивного комплексу з СОД, що працює на ГКР, а також в навчальному процесі вищих навчальних закладів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Брошков С.Д. Модернизация электронного регулятора нагрузки на судах типа «Измаил» / С.Д. Брошков // Автоматизация судовых технических средств : науч. - техн. сб. - 2001. - Вып. 6. - Одесса: ОГМА. - С. 3 - 7.

Брошков С.Д. Совершенствование функциональных характеристик систем управления главными двигателями и винтом регулируемого шага SELMA-MARINE // Автоматизация судовых технических средств : науч. - техн. сб. - 2000. - Вып. 5. - Одесса: ОГМА. - С. 3 - 7.

Брошков С.Д. Оптимизация процесса нагружения главного судового среднеоборотного дизеля / С.Д. Брошков // Автоматизация судовых технических средств : науч. - техн. сб. - 1999. - Вып. 4. - Одесса: ОГМА. - С. 21 - 27.

Брошков С.Д. Методика обоснования темпа нагружения судовых среднеоборотных дизелей / С.Д. Брошков // Автоматизация судовых технических средств: науч. - техн. сб. - 2004. - Вып. 9. - Одесса : ОHМА. - С. 3 - 10.

Брошков С.Д. Оценка параметров рабочего процесса дизеля на маневрах по эмпирическим зависимостям / С.Д. Брошков // Автоматизация судовых технических средств: науч. - техн. сб. - 2003. - Вып. 8. - Одесса : ОHМА. - С. 3 - 6.

Брошков С.Д. Настройка электронного ограничителя нагрузки SELMA-MARINE / С.Д. Брошков // Автоматизация судовых технических средств: науч. - техн. сб. - 2008. - Вып. 12. - Одесса : ОHМА. - С. 3 - 6.

Размещено на Allbest.ru

...