ASSESSMENT OF SHIP POWER PLANT CAPACITY
Authors:
1.
Siberian State University of Water Transport
2.
Siberian State University of Water Transport
3.
Siberian Transport University
Type:
Article
Pages:
from 56
to 63
Status:
Published
Received:
20.05.2019
Accepted:
25.05.2019
Published:
25.05.2019
Subject area:
UDK 621.43
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
ship power station, capacity, transition process, fuel consumption, air consumption sensor, wavelet analysis
Abstract (English):
In modern conditions developing methods of functional diagnostics of the technical state of internal combustion engines, which are based on monitoring of power indicators, is of current importance for ship power plants (SPP). In terms of inability to estimate the plant’s capacity during the voyage, it was proposed to develop methods for its indirect estimation. Measuring the angular acceleration of the crankshaft of the going up engine is considered the well-known and most reliable method for estimating the power plant capacity. There has been presented a device flowchart for estimating the capacity of a SPP based on the ratio of fuel and air consumption. In this case the restriction is that the method can be employed only for the SPPs equipped with gearboxes with the function of discontinuity of the shaft line due to a great moment of inertia of the propeller submerged into the water. There has been suggested the analysis of the ratio of fuel and air consumption at a certain frequency of shaft rotation, as a versatile way to evaluate capacity of SPPs with internal combustion engines. It has been stated that the SPP energy parameters can be evaluated using the analysis of the torsional-vibrational system values. To this end, it was suggested to use a relatively new method of processing diagnostic information based on wavelet analysis using sensors of torsional vibrations installed on fixed supports and having a function to determine angular deformations of the shaft line caused by the rotation torque vibrations. A distinctive feature of the wavelet analysis is a high sensitivity in determining short-term high-frequency signal fluctuations. There is given an example of recording the amplitude values of torque when using this method. Amplitude values have been calculated on the basis of Morlet function, according to Hölder's indicator, at the SPP engine rotation speed 900 rpm for four turns of the engine crankshaft.
In modern conditions developing methods of functional diagnostics of the technical state of internal combustion engines, which are based on monitoring of power indicators, is of current importance for ship power plants (SPP). In terms of inability to estimate the plant’s capacity during the voyage, it was proposed to develop methods for its indirect estimation. Measuring the angular acceleration of the crankshaft of the going up engine is considered the well-known and most reliable method for estimating the power plant capacity. There has been presented a device flowchart for estimating the capacity of a SPP based on the ratio of fuel and air consumption. In this case the restriction is that the method can be employed only for the SPPs equipped with gearboxes with the function of discontinuity of the shaft line due to a great moment of inertia of the propeller submerged into the water. There has been suggested the analysis of the ratio of fuel and air consumption at a certain frequency of shaft rotation, as a versatile way to evaluate capacity of SPPs with internal combustion engines. It has been stated that the SPP energy parameters can be evaluated using the analysis of the torsional-vibrational system values. To this end, it was suggested to use a relatively new method of processing diagnostic information based on wavelet analysis using sensors of torsional vibrations installed on fixed supports and having a function to determine angular deformations of the shaft line caused by the rotation torque vibrations. A distinctive feature of the wavelet analysis is a high sensitivity in determining short-term high-frequency signal fluctuations. There is given an example of recording the amplitude values of torque when using this method. Amplitude values have been calculated on the basis of Morlet function, according to Hölder's indicator, at the SPP engine rotation speed 900 rpm for four turns of the engine crankshaft.
Keywords:
ship power station, capacity, transition process, fuel consumption, air consumption sensor, wavelet analysis
ship power station, capacity, transition process, fuel consumption, air consumption sensor, wavelet analysis
Введение Для судов, равно как и для наземных транспортных средств, эксплуатирующихся на значительном расстоянии от баз обслуживания и не имеющих возможности выполнения технологических воздействий технического обслуживания в стационарных условиях, своевременное обнаружение и предупреждение отказов судовых энергетических установок (СЭУ) приобретает особое значение. На первый план выходит проблема организации приспособленного к использованию в эксплуатационных условиях при минимальных затратах труда и материальных средств технического диагностирования СЭУ [1]. Первоочередные задачи технической диагностики - своевременное выявление неисправностей, прогнозирование работоспособности и поддержание в допустимых пределах основных показателей энергетических установок. Но получение достоверной диагностической информации является достаточно затратным и сложным процессом. Его мультипликативность может приводить к существенным и непредсказуемым ошибкам в прогнозировании, влекущим за собой значительные временные и материальные затраты на их устранение. Наиболее целесообразным применительно к СЭУ представляется периодическое проведение функционального диагностирования, позволяющего, к примеру, путём контроля отклонения показателей мощности СЭУ от номинальных значений своевременно выявить и предупредить возникновение отказов. При этом в условиях навигации невозможно использовать тормозные или реостатные (для дизель-генераторных установок) методы контроля мощности. В настоящей работе предлагаются методы эксплуатационной оценки мощности СЭУ, оснащённых двигателями внутреннего сгорания (ДВС), поскольку реализация прямых измерений мощности на судах в условиях навигации практически невозможна. Для судовых дизелей контроль мощности необходим ещё и в целях оптимизации эксплуатационных показателей, например таких, как расход масла на угар путём поддержания соответствующего режима работы двигателей [2]. Использование динамических характеристик для оценки мощности Наиболее целесообразно использовать для оценки технического состояния и эксплуатационных показателей динамические характеристики СЭУ [3-5]. Динамические характеристики ДВС в целом и его отдельных элементов оказывают существенное влияние на внешние и внутренние показатели функционирования энергетической установки, особенно с учётом преобладания при эксплуатации СЭУ неустановившихся режимов работы. Показатели динамики СЭУ могут характеризоваться переходными процессами вращения валов и валопроводов СЭУ, переходными процессами газообмена и топливоподачи, а также амплитудно-фазовыми и частотными характеристиками. Наиболее известным применением переходных процессов, описываемых изменением угловой скорости или углового ускорения коленчатого вала, является использование разгонных характеристик двигателя. В ходе свободного разгона ДВС величина внешнего момента сопротивления равна нулю, поэтому данный процесс можно описать следующим выражением, соответствующим эффективному крутящему моменту двигателя Ме, уравновешиваемому силами инерции J: (1) где ω - угловая скорость коленчатого вала. Если умножить обе части уравнения (1) на угловую скорость коленчатого вала ω, получим (2) где - эффективная мощность энергетической установки. Выражение (2) позволяет оценить эффективную мощность ДВС по величине углового ускорения при резком увеличении подачи топлива до максимальной величины. При таком способе контроля возможно не только оценивать мощность СЭУ, но и диагностировать техническое состояние её отдельных систем и механизмов [3, 6, 7]. Рассмотрим результаты исследования переходных процессов свободного разгона, полученные на энергетической установке с двигателем 8ЧН 13/14 при различном техническом состоянии ДВС. Величина углового ускорения коленчатого вала в конкретной точке разгонной характеристики и является в данном случае оценочным показателем мощности (рис. 1). Рис. 1. Переходные процессы свободного разгона энергетической установки с двигателем 8ЧН 13/14 при различном техническом состоянии ДВС В отношении главных СЭУ такой метод может применяться ограниченно в связи со значительной массой гребного вала и наличием сопротивления погруженного в воду гребного винта. Оценивать таким образом можно только мощность СЭУ с редукторами, позволяющими осуществить разрыв валовой линии. В связи с этим более перспективной и универсальной представляется оценка уровня мощности энергетических установок с ДВС путём анализа соотношения показателей динамики расхода топлива и воздуха. Суть предлагаемого метода заключается в нижеследующем. Из известных выражений теории ДВС следует, что эффективная мощность двигателя зависит от среднего индикаторного давления в цилиндрах двигателя pi, литража Vi, частоты вращения коленчатого вала n, коэффициента тактности τ и механического коэффициента полезного действия (КПД) двигателя ηм: (3) Величину среднего индикаторного давления в цилиндрах ДВС можно представить в виде следующей зависимости: где ηi - индикаторный КПД двигателя; qц - количество топлива, подаваемое в цилиндры за один цикл; HU - теплотворная способность топлива; ρ - плотность подаваемого в цилиндры воздуха; ηV - коэффициент наполнения; α - коэффициент избытка воздуха; L0 - количество подаваемого в цилиндры двигателя воздуха. Таким образом, индикаторное давление в цилиндрах двигателя, и, следовательно, его эффективная мощность зависят от количества топлива и воздуха, поступивших в цилиндры. При прочих равных условиях, принимая ряд составляющих в формуле (3) постоянными величинами, получим выражение для оценки мощности ДВС: где А - константа; QB - количество поступившего в цилиндры двигателя воздуха; QT - количество поступившего в цилиндры топлива в тот же промежуток времени. Следовательно, при равной нагрузке на двигатель для достижения равных величин частоты вращения коленчатого вала при различном техническом состоянии двигателя требуется различное количество топлива и воздуха, подаваемых в цилиндры двигателя, и, наоборот, измеренные значения расхода топлива и воздуха при равной частоте вращения будут зависеть от технического состояния ДВС, или иначе (4) где Аn - константа для конкретного типа двигателя и конкретной частоты вращения; QBn - количество воздуха; QTn - количество поступившего в цилиндры топлива за тот же промежуток времени при заданной частоте вращения. Реализовать оценку мощности по анализу динамики соотношения расходов воздуха и топлива возможно посредством диагностического устройства. Устройство работает следующим образом. На шкиве коленчатого вала двигателя либо на иной вращающейся части энергетической установки закрепляют датчик частоты вращения. Затем монтируются датчики расхода топлива и расхода воздуха, проходящего через впускной коллектор. Возможно также использование штатного датчика расхода воздуха при его наличии на двигателе. Значения частоты вращения, измеренной датчиком частоты вращения, через преобразователь сигнала передаются для контроля оператором на устройство индикации. Одновременно эта информация подаётся на вход первого компаратора, который при совпадении с частотой вращения, соответствующей заданному режиму измерений, подаёт сигнал о начале измерения на устройство индикации и в то же время включает в работу датчики расхода топлива и расхода воздуха. После этого в течение некоторого времени фиксируется частота вращения коленчатого вала двигателя. При наличии диагностических сигналов второй и третий компараторы устройства запускают блок измерения мощности, оценивающий величину мощности, развиваемой на заданном режиме измерения путём вычисления произведения согласно выражению (4). Результаты измерения мощности выводятся на устройство индикации и фиксируются оперативным запоминающим устройством. При совпадении или же расхождении эталонных и измеренных значений диагностических параметров, соответствующих оценочной величине мощности, четвёртый компаратор передаёт информацию об исправности или неисправности ДВС на устройство индикации. Блок-схема диагностического устройства представлена на рис. 2. Рис. 2. Блок-схема устройства для оценки мощности энергетической установки по соотношению значений расхода топлива и воздуха Использование методов вейвлет-анализа Напряжения, возникающие в материале коленчатого вала при работе дизельного двигателя, можно условно разделить на статическую и динамическую составляющие. Первая из них характеризует передаваемый валом средний момент, а вторая определяется переменной частью передаваемого крутящего момента, на которую наложены крутильные колебания. Таким образом, анализ динамических показателей крутильно-колебательной системы коленчатого вала позволяет не только исследовать характер деградации объекта во времени, но и оценивать по амплитудным значениям колебаний определённой гармоники величину крутящего момента, как известно, напрямую связанного с величиной развиваемой и передаваемой элементами СЭУ мощности [4, 5, 8]. Для определения степени изменения крутящего момента в конкретной точке, являющейся координатой длины валовой линии СЭУ, необходимо исследование амплитудных значений крутящих моментов А0, которые могут быть произвольно заданы функцией координаты длины x: При этом целесообразно использовать датчики крутильных колебаний, установленные на неподвижных опорах и имеющие функцию определения угловых деформаций, вызываемых колебаниями крутящего момента, измеренного в любой точке валовой линии СЭУ. Использование датчиков, содержащих в своём составе не только сенсоры, но и элементы питания и преобразователи и устройства передачи и хранения информации, также жёстко закрепленные на валах в двух и более сечениях, позволяет дополнительно улучшить качество анализа крутильно-колебательных систем и повысить достоверность результатов технического диагностирования [3]. Для дальнейшей обработки сигналов необходимо применение математических методов обработки сигналов динамических характеристик. Классические методы анализа частотно-временных сигналов, например анализ амплитудных характеристик или метод спектрального анализа, не в полной мере приспособлены для анализа нестационарных сигналов, каковыми, по сути, и являются процессы изменения крутящего момента ДВС во времени. Поэтому для исследования частотных характеристик динамических систем предлагается совместное извлечение временных и спектральных характеристик в рамках методов вейвлет-анализа, позволяющих представить функции нестационарных сигналов одновременно во временной и масштабной областях [9-11]. Отличительной особенностью вейвлет-анализа является высокая чувствительность определения кратковременных высокочастотных флуктуаций сигналов. При выполнении математических вычислений в целях измерения локальной регулярности функции часто используется показатель Гёльдера, характеризующий гладкость функции. Выбор конкретного вида вейвлет-образующей функции из их известного многообразия при проведении вычислений показателей Гёльдера связан с характером поставленных задач и параметрами анализируемых сигналов. Пример записи амплитудных значений крутящего момента, вычисленных на основе функции Морле по показателям Гёльдера при частоте вращения коленчатого вала двигателя СЭУ 900 об/мин за 4 оборота коленчатого вала двигателя, представлен на рис. 3 [3]. Рис. 3. Вычисленные показатели Гёльдера вейвлет-коэффициентов сигнала за 4 оборота коленчатого вала двигателя при частоте вращения 900 об/мин Использование представленных методов анализа динамических характеристик позволяет реализовать оценку функциональных показателей СЭУ непосредственно в эксплуатационных условиях и тем самым осуществлять мониторинг состояния подвижного состава, в том числе дистанционный. Данные технические мероприятия могут в значительной мере способствовать повышению эффективности использования водного транспорта. Выводы 1. Для СЭУ актуальным является развитие методов функциональной диагностики технического состояния ДВС, к примеру на основе контроля показателей мощности. Но поскольку реализовать прямую оценку мощности в условиях навигации не представляется возможным, необходима разработка методов косвенной оценки мощности СЭУ. 2. Наиболее известным и достоверным методом оценки мощности является измерение углового ускорения коленчатого вала при свободном разгоне двигателя. Ограничением в данном случае является возможность применения только для СЭУ, оснащенных редукторами с функцией разрыва валовой линии, ввиду наличия значительного момента инерции погруженного в воду гребного винта. 3. В качестве универсального способа оценки мощности СЭУ с ДВС предлагается анализ соотношения показателей динамики расхода топлива и воздуха при определённой частоте вращения. 4. Оценить энергетические показатели СЭУ возможно также на основе анализа параметров крутильно-колебательных систем. С этой целью целесообразно применение относительно нового способа обработки диагностической информации на основе вейвлет-анализа с использованием датчиков крутильных колебаний, установленных на неподвижных опорах и имеющих функцию определения угловых деформаций, вызываемых колебаниями крутящего момента, измеренного в любой точке валовой линии СЭУ.
1. Kochergin V. I. K voprosu tehnicheskoy ekspluatacii udalennyh parkov mashin // Sovrem. problemy i puti ih resheniya v nauke, transporte, proizvodstve i obrazovanii: sb. nauch. tr. SWorld. 2013. Vyp. 2. T. 2. S. 7-10.
2. Lebedev B. O. Teplofizicheskie osnovy processa ugara masla v dizelyah i razrabotka ekspluatacionnyh meropriyatiy po ego sokrascheniyu: avtoref. dis.. d-ra tehn. nauk. Barnaul, 2001. 32 s.
3. Glushkov S. P., Kochergin V. I. Vliyanie neravnomernosti krutyaschego momenta na dinamicheskie harakteristiki energeticheskih ustanovok. Novosibirsk: Izd-vo SGUPSa, 2018. 119 s.
4. Glushkov S. P., Konovalov V. V. Identifikaciya izmeneniya tehnicheskogo sostoyaniya transportnogo podvizhnogo sostava // Nauch. problemy transp. Sibiri i Dal'nego Vostoka. 2014. № 3. S. 139-147.
5. Glushkov S. P., Glushkov S. S., Kochergin V. I., Lebedev B. O. Analiz dinamicheskih harakteristik krutil'no-kolebatel'nyh sistem sudovyh energeticheskih ustanovok // Mor. intellektual. tehnologii. 2018. № 2 (40). S. 59-66.
6. Dobrolyubov I. P. Operativnyy kontrol' i upravlenie pokazatelyami mashinno-traktornyh agregatov, opredelyayuschimi ih effektivnoe ispol'zovanie: avtoref. dis. … d-ra tehn. nauk. Novosibirsk, 1992. 38 s.
7. Al't V. V., Dobrolyubov I. P., Savchenko O. F., Ol'shevskiy S. N. Tehnicheskoe obespechenie izmeritel'nyh ekspertnyh sistem mashin i mehanizmov v APK. Novosibirsk: Izd-vo Rossel'hozakademii; GNU SibFTI, 2013. 523 s.
8. Glushkov S. P., Lebedev B. O. Ocenka degradacii tehnicheskogo sostoyaniya kolenchatyh valov dvigateley vnutrennego sgoraniya po dinamicheskim harakteristikam // Nauch. problemy transp. Sibiri i Dal'nego Vostoka. 2013. № 2. S. 191-194.
9. Glushkov S. P., Glushkov S. S., Sigimov V. I. Veyvlet-funkcii Morleta v issledovanii peremennyh sostavlyayuschih krutyaschego momenta dvigateley vnutrennego sgoraniya // Vestn. Sibir. gos. un-ta putey soobscheniya. 2016. № 2. S. 45-51.
10. Glushkov S. P., Zhidkih V. O. Vybor veyvlet-obrazuyuschey funkcii dlya analiza dinamicheskih harakteristik signala dvigatelya vnutrennego sgoraniya // Vestn. Sibir. gos. un-ta putey soobscheniya. 2017. № 1. S. 51-56.
11. Dmitrienko D. V. Veyvlety kak instrument povysheniya ekspluatacionnoy nadezhnosti ob'ektov vodnogo transporta // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Morskaya tehnika i tehnologiya. 2017. № 4. S. 7-15.
