ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИАГНОСТИКИ ГЛАВНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ТЕПЛОХОДА «GREIFSWALD»
Авторы:
1.
УКРФЕРРИ
2.
Одесский национальный морской университет
3.
Одесская государственная академия технического регулирования и качества, д-р техн. наук
4.
Одесский национальный морской университет
5.
Одесский национальный морской университет, Украина
Тип:
Статья
Страницы:
с 31
по 41
Статус:
Опубликован
Получено:
20.05.2015
Одобрено:
25.05.2015
Опубликовано:
25.05.2015
Классификаторы:
УДК 621.431.74
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
судовые среднеоборотные дизели, параметрическая диагностика, топливная аппаратура высокого давления, механизм газораспределения, спектральный анализ
Аннотация (русский):
Диагностика четырех главных дизелей теплохода «Greifswald» была проведена во время рейса Одеcса - Стамбул - Одесса в январе 2015 г. Погодные условия позволили при одинаковой нагрузке провести параметрическую диагностику всех цилиндров главных дизелей, включая диагностику топливной аппаратуры высокого давления, механизма газораспределения и цилиндропоршневой группы. Для определения параметров рабочего процесса была использована система компьютерного диагностирования D4.0H, разработанная на кафедре «Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация» Одесского национального морского университета. Определение параметров с помощью D4.0H и последующее равномерное распределение мощности между цилиндрами позволяют выравнивать тепловые и механические нагрузки. Весь комплекс мероприятий способствует снижению общего уровня вибрации и теплонапряженности деталей цилиндропоршневой группы, уменьшению удельного расхода топлива, повышению моторесурса и снижению риска возникновения аварийных ситуаций в процессе эксплуатации судна.
Диагностика четырех главных дизелей теплохода «Greifswald» была проведена во время рейса Одеcса - Стамбул - Одесса в январе 2015 г. Погодные условия позволили при одинаковой нагрузке провести параметрическую диагностику всех цилиндров главных дизелей, включая диагностику топливной аппаратуры высокого давления, механизма газораспределения и цилиндропоршневой группы. Для определения параметров рабочего процесса была использована система компьютерного диагностирования D4.0H, разработанная на кафедре «Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация» Одесского национального морского университета. Определение параметров с помощью D4.0H и последующее равномерное распределение мощности между цилиндрами позволяют выравнивать тепловые и механические нагрузки. Весь комплекс мероприятий способствует снижению общего уровня вибрации и теплонапряженности деталей цилиндропоршневой группы, уменьшению удельного расхода топлива, повышению моторесурса и снижению риска возникновения аварийных ситуаций в процессе эксплуатации судна.
Ключевые слова:
судовые среднеоборотные дизели, параметрическая диагностика, топливная аппаратура высокого давления, механизм газораспределения, спектральный анализ
судовые среднеоборотные дизели, параметрическая диагностика, топливная аппаратура высокого давления, механизм газораспределения, спектральный анализ
Введение Автомобильно-железнодорожный пассажирский паром «Greifswald» (рис. 1) - современное грузопассажирское судно, технический надзор за которым осуществляет классификационное общество Германский Ллойд (Germanischer Lloyd). Обладает сертификатом Книги рекордов Гиннеса как самое большое судно в мире в классе автомобильно-железнодорожных пассажирских паромов. Высокая мореходность судна и его значительные размерения (длина более 190 м, ширина - 28 м) позволяют минимизировать качку в штормовых условиях. Две грузовые палубы могут одновременно принимать на борт 50 универсальных железнодорожных вагонов и 50 большегрузных автомобилей ТIR [1]. На судне установлены четыре главных среднеоборотных дизеля 6VDS48/42AL-2U производства «SKL Motoren- und Systemtechnik GmbH». Буквальная расшифровка марки двигателей, согласно документации [2], выглядит так: 6 - шестицилиндровые; V - четырехтактные; D - дизельного типа; S - рассчитанные для работы на тяжелом топливе; 48 - ход поршня, см; 42 - диаметр цилиндра, см; A - с наддувом; L - с охлаждением наддувочного воздуха; 2 - модификация по диапазону эксплуатационных мощностей; U - реверсивные. В процессе эксплуатации дизелей происходит естественный процесс разрегулирования узлов топливной аппаратуры (ТА) высокого давления и механизма газораспределения (МГР), а также износ основных узлов цилиндропоршневой группы (ЦПГ). Эти изменения, некритические в межремонтный период, тем не менее снижают качество рабочего процесса в цилиндрах и, соответственно, повышают удельный расход топлива и общий уровень вибрации двигателей. Кроме того, при этом увеличивается неравномерность распределения тепловых и механических нагрузок между цилиндрами, что повышает риск возникновения аварийных ситуаций. Серьезные проблемы возникают и при эксплуатации судовых электроэнергетических установок. При параллельной работе генераторных агрегатов возникают периодические процессы обмена активной энергии между дизель-генераторами. Основной причиной этого является динамическая нестабильность частоты вращения двигателей. В значительной мере она обусловлена нестабильностью рабочих процессов и крутящих моментов отдельных цилиндров двигателей. В сочетании с автоколебаниями в системе регулирования частоты вращения это приводит к существенным обменным колебаниям активной мощности при параллельной работе генераторных агрегатов. В связи с этим выравнивание нагрузок и нивелирование дисбаланса мощностей по цилиндрам двигателей способствуют снижению интенсивности колебательных процессов обмена энергией между дизель-генераторами и повышению их моторесурса. а б в Рис. 1. Паром «Greifswald»: а - стоянка у причала в порту Стамбул; б - вид с верхней платформы главных среднеоборотных дизелей 6VDS48/42AL-2U; в - индицирование главных дизелей системой D4.0H Периодическое индицирование позволяет выявлять и устранять причины дисбаланса мощностей цилиндров и устранять перечисленные выше проблемы. Диагностика четырех главных дизелей (ГД) теплохода «Greifswald» была проведена нами во время рейса Одеcса - Стамбул - Одесса в январе 2015 г. Погодные условия позволили при одинаковой нагрузке провести параметрическую диагностику всех цилиндров ГД, включая диагностику ТА высокого давления, МГР и ЦПГ. Индицирование дизелей проводилось с помощью системы параметрической диагностики D4.0H, разработанной на кафедре «Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация» Одесского национального морского университета [3]. Определение основных параметров рабочего процесса Система D4.0H определяет следующие параметры рабочего процесса (рис. 2): - pi, Ni - среднее индикаторное давление и индикаторную мощность цилиндра; - p'c - давление и угол поворота коленчатого вала (ПКВ) в начале воспламенения топлива в рабочем цилиндре; - pc (pcomp) - давление в конце сжатия; - pZ (pmax) - максимальное давление сгорания топлива и соответствующий угол ПКВ; - pexp - давление на линии расширения (36 град ПКВ за верхней мертвой точкой (ВМТ)) - фазы газораспределения (по углам закрытия впускных и выпускных клапанов МГР); - геометрические (по топливному насосу высокого давления (ТНВД)) и действительные (по ходу иглы форсунки) фазы топливоподачи; - τD - угол и время задержки самовоспламенения топлива (расчетным путем). Рис. 2. Развернутая индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля с основными параметрами рабочего процесса Определение фаз топливоподачи и газораспределения, а также диагностика ТА высокого давления и МГР проводятся с помощью анализа виброакустических сигналов соответствующих узлов. Для этой цели в составе системы имеется высокочастотный вибродатчик VS-20m на магнитной платформе, обеспечивающей надежный контакт датчика со стальной площадкой диагностируемого узла на работающем дизеле. Использование виброакустического метода полностью соответствует современной идеологии «неразрушающего диагностического контроля» [4]. Вибродатчик VS-20m используется для получения информации о начале подачи/отсечке топлива (геометрические фазы топливоподачи) и подъеме/посадке иглы форсунки (действительные фазы топливоподачи). Традиционная диагностика ТА высокого давления связана с получением диаграмм давления топлива (рис. 3). Безусловно, их анализ дает самую точную информацию о техническом состоянии ТНВД и форсунки. Максимальные значения давления впрыска топлива (Pfmax (рис. 3)) в современных топливных системах достаточно велики: от почти 300 МПа на современных высокооборотных и среднеоборотных дизелях почти до 200 МПа на малооборотных. При этом фаза впрыска составляет 10-20 град ПКВ, что при больших значениях частоты вращения коленчатого вала характеризует резкий динамический процесс с большими значениями амплитуды и скорости нарастания давления. Всего несколько фирм в мире выпускают специфические датчики давления, работающие в таких жестких условиях (http://www.kistler.com, imes.de, optrand.com). Рис. 3. Диаграммы давления в топливной системе при впрыске (сверху вниз: линейное перемещение иглы, давление топлива перед соплами распылителя, давление после ТНВД) Очевидно, что при таких высоких значениях давления установка нештатных датчиков в ТА и мониторинг процесса впрыска топлива могут проводиться только в лабораторных условиях. На практике на транспортном судне запрещены любые включения нештатного оборудования в топливную систему высокого давления, т. к. при разгерметизации велика вероятность взрыва и пожара. В этом случае чуть ли не единственной альтернативой является анализ виброакустических сигналов узлов ТА. В системе D4.0H так анализируются фазы топливоподачи и осуществляется диагностика ТНВД и форсунки. Для определения геометрических фаз топливоподачи (αG, φinjG (см. рис. 2)) датчик VS-20m устанавливается на заглушку напротив отсечного окна плунжерной пары ТНВД (рис. 4, б). В этом месте датчик регистрирует вибросигналы, возникающие при начале подачи топлива ТНВД и отсечке. Для определения действительных фаз топливоподачи (α, φinj (см. рис. 2)), диагностирования общего состояния ТА высокого давления вибродатчик VS-20m устанавливается на торец форсунки, перпендикулярно ходу иглы (рис. 4, a). В этом случае датчик регистрирует вибросигналы, возникающие при подъеме и посадке иглы форсунки. Рис. 4. Места установки вибродатчика VS-20m при индицировании дизеля При установке вибродатчика на форсунку он дополнительно регистрирует удары от посадки (закрытия) клапанов газораспределения (фазы φincl, φexhcl (см. рис. 2)). Если амплитуда сигналов закрытия клапанов недостаточно велика при установке датчика на торец форсунки, выбирается место на крышке цилиндра, в непосредственной близости от клапанов. Определение задержки самовоспламенения топлива. Задержкой самовоспламенения топлива считается время между началом впрыска топлива в цилиндр и началом его воспламенения. На рис. 5 это соответствует фазам α и φPc: . Связь между углом ПКВ и временем задержки самовоспламенения, мс, , где RPM - частота вращения коленчатого вала в минуту. Рис. 5. Задержка самовоспламенения топлива Задержка самовоспламенения обусловлена следующими друг за другом и пересекающимися физическими и химическими процессами: - распыление и испарение топлива, его смешивание с воздухом в камере сжатия; - химическая задержка, связанная с развитием предпламенных процессов. Общий вид формулы для определения времени задержки самовоспламенения [5]: , где p, T - давление и температура газов в цилиндре в момент впрыска топлива; E - энергия активации топлива; R - газовая постоянная; C, n - эмпирические коэффициенты. Для повышения качества сгорания топлива, увеличения экономичности рабочего цикла и уменьшения динамических нагрузок на кривошипно-шатунный механизм (КШМ) и подшипники необходимо уменьшать задержку самовоспламенения. Основные мероприятия, направленные на уменьшение задержки самовоспламенения: - повышение давления впрыскивания топлива и улучшение качества смесеобразования; - впрыск в цилиндр предварительной небольшой порции топлива для создания очага горения перед впрыском основной порции топлива (http://www.wartsila.com). Определение давления начала сгорания в цилиндре производится с помощью анализа второй производной кривой давления газов в цилиндре (рис. 6). . Рис. 6. Определение момента начала сгорания в цилиндре при разных углах опережения впрыска Шумы в оцифрованных данных (погрешности аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и электронные шумы усилителя сигнала чувствительного элемента до АЦП) вносят существенные погрешности в расчет первой и, особенно, второй производных от кривой давления. Поиск максимума второй производной можно осуществлять только после обработки диаграммы давления с помощью корректно построенного цифрового фильтра (Low Pass Filter) [6]. Параметры, характеризующие механические нагрузки на подшипники и элементы КШМ - максимальная степень повышения и максимальная скорость нарастания давления при сгорании топлива (рис. 7). Рис. 7. Определение максимальной и средней скорости нарастания давления при сгорании Степень повышения давления определяется как или, в случае ранних углов опережения впрыска топлива, по приближенной зависимости Максимальная скорость нарастания давления при сгорании определяется как максимум первой производной кривой давления и в большинстве случаев приходится на период сразу после воспламенения топлива: На практике часто используют среднюю скорость нарастания давления при сгорании от момента воспламенения топлива до максимального давления сгорания: где Давление на линии расширения (36 град ПКВ за ВМТ) является одним из параметров рабочего процесса (см. рис. 2), характеризующих догорание топлива и тепловую напряженность деталей ЦПГ. Со значением pexp (p36) коррелирует температура выпускных газов. Термодинамический смысл фазы 36 град ПКВ за ВМТ становится понятным после анализа кривой суммарной работы цикла (или удельной работы цикла - текущего среднего индикаторного давления цикла (рис. 8)). где pi, MIP - среднее индикаторное давление; Vs - рабочий объем цилиндра; p - давление газов в цилиндре. Рис. 8. Индикаторная диаграмма и суммарная удельная работа цикла pi, MIP На такте сжатия двигатель потребляет энергию, а на такте сгорания/расширения (при нисходящем ходе поршня) после ВМТ - отдает. Если рассматривать энергетический баланс отдельно взятого рабочего цикла, то очевидно, что в начале такта расширения двигатель компенсирует затраты такта сжатия. Затем, в какой-то момент, они полностью скомпенсированы, и далее идет отдача энергии двигателем, т. е. прибыльная часть рабочего цикла. Кривая суммарной удельной работы цикла (pi, MIP) показана на рис. 8 (линия б). Видно, что максимальная суммарная отрицательная работа на такте сжатия приходится на ВМТ, далее идет компенсация затрат. В точке ~36 град ПКВ за ВМТ все затраты скомпенсированы и после точки 36 град суммарная работа цикла является положительной. Этот вывод справедлив для всех исследованных нами среднеоборотных и малооборотных дизелей с точностью ±5 град ПКВ. Точку 36 град ПКВ за ВМТ на такте сгорания/расширения можно назвать точкой «нулевого энергетического баланса» рабочего цикла. Если сравнивать два рабочих цикла, то в том случае, когда давление в точке 36 град ПКВ за ВМТ больше, имеет место бо́льшая температура газов в цилиндре на линии расширения и, соответственно, бо́льшая температура выпускных газов. На практике, в тех случаях, когда отсутствует или временно невозможен контроль температуры выпускных газов после цилиндров, можно рассматривать pexp (p36) для их относительной оценки. Результаты диагностирования главных дизелей т/х «Greifswald» Перед индицированием были заданы исходные параметры ГД, необходимые для расчета среднего индикаторного давления и индикаторной мощности цилиндров. Исходные данные ГД 6VDS48/42AL-2U для расчета pi, Ni Число цилиндров.......................................................................................................................................................... Частота вращения на номинальном режиме...............................................................................................RPM = 500 мин-1 Диаметр цилиндра.................................................................................................................................................. Ход поршня.............................................................................................................................................................. Степень сжатия (паспортная)..................................................................................................................................... Отношение радиуса кривошипа Rкр к длине шатуна................................................ (Lш = 53,0 см - длина шатуна между центрами подшипников). На рис. 9 приведены сводные индикаторные диаграммы ГД т/х «Greifswald», снятые при работе на основном эксплуатационном режиме. Рис. 9. Сводные индикаторные диаграммы ГД 6VDS48/42AL-2U т/х «Greifswald» По результатам диагностирования ГД были сделаны следующие выводы: - ГД1, цилиндр 2 - сниженная мощность и низкий уровень всех параметров рабочего цикла. Необходимо проверить компрессию и состояние ТА и МГР; - детонационное сгорание как следствие некачественного распыла топлива на ГД2, цилиндры 3, 5, 6; ГД3, цилиндр 3; ГД4, цилиндр 4. Необходима проверка ТА этих цилиндров; - ГД2, цилиндр 2 и ГД3, цилиндр 2 - «жесткая работа» вследствие раннего впрыска топлива; - ГД1, цилиндр 3 относительно перегружен и возможен дробный впрыск топлива; - наибольший разбаланс мощностей по цилиндрам ГД1 и ГД2. После ревизии ГД1, цилиндр 2, и устранения на ГД2 дефектов ТА необходима регулировка цикловых подач; - удовлетворительная балансировка мощностей цилиндров на ГД3 и ГД4. После определения параметров рабочего процесса и построения сводных индикаторных диаграмм на основном эксплуатационном режиме необходимо устранить выявленные дефекты ЦПГ, ТА и МГР. Затем необходимо выравнивание цилиндровых мощностей регулировкой цикловых подач топлива по цилиндрам. После балансировки мощностей необходимо произвести контрольное индицирование. Заключение Метод алгоритмической синхронизации данных, используемый в системе D4.0H, и виброакустическое определение параметров топливоподачи и газораспределения делают ее удобным средством для диагностики среднеоборотных дизелей, на которых отсутствуют механические приводы для снятия индикаторных диаграмм. Полученные диагностические данные дают возможность осуществлять контроль состояния ЦПГ и устранять дефекты ТА и МГР. Выравнивание мощностей по цилиндрам при условии, что дефекты ЦПГ, ТА и МГР устранены, приводит к равномерному распределению тепловых и механических нагрузок между цилиндрами и, как следствие, повышению резерва мощности, уменьшению общего уровня вибрации, снижению удельного расхода топлива и повышению моторесурса двигателя [7]. Применительно к электроэнергетическим системам выравнивание мощностей по цилиндрам способствует устранению автоколебательных процессов обмена энергией между генераторными агрегатами.
1. Автомобильно-железнодорожный пассажирский паром «Грейфсвальд» // URL: http://www.ukrferry. com/vessels/vessel-greifswald.
2. Operating manual of diesel engine 6VDS48/42AL-2U. Neue Maschinenbau Halberstadt GmbH. 48-04029/E. 271 с.
3. Diesel Engine Performance Analyzing System D4.0H: depas.odessa.ua // URL: http://depas.od.ua/pdf/ DEPAS_Handy_brochure_rus_Print.pdf.
4. Varbanets R. Analyse of marine diesel engine performance / R. Varbanets, A. Karianskiy // Journal of Polish CIMAC. Energetic Aspects. Gdansk: Faculty of Ocean Engineering and Ship Technology Gdansk University of Technology, 2012. Vol. 7, No. 1. P. 269-275.
5. Heywood John B. Internal Combustion Engine Fundamentals / John B. Heywood. New York, McGraw-Hill, Inc., 1988. 302 p.
6. Отнес Р. Прикладной анализ временных рядов / Р. Отнес, Л. Эноксон. М.: Мир, 1982. 482 с.
7. Варбанец Р. А. Определение эффективных параметров и диагностика судовой дизельной энер-гетической установки / Р. А. Варбанец, В. Г. Ивановский, Ю. Н. Кучеренко, И. Н. Головань // Сучасні інформаційні та інноваційні технології на транспорті. МІNTT-2012, Херсон. держав. мор. ін-т. Херсон: ХГМА, 2012. С. 202-207.
