автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Эффективность эксплуатационных режимов судовых гидромеханических комплексов

Государственная морская академия имени адмирала С.О.Макарова

На правах рукописи

РУЧКИН Юрий Николаевич

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМОВ СУДОВЫХ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Специальность 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 2000 г.

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Самсонов Л.А.

заслуженный деятель науки и

техники Российской Федерации,

доктор технических наук, профессор Семёнов Б.Н.

доктор технических наук, профессор Тузов Л.В.

Ведущая организация:

Центральный научно-исследовательский институт морского флота, г. Санкт-Петербург.

Защита состоится " 2.9 " нря&ря 2000 г. в часов на заседании диссертационного совета Д. 101.02.01 в Государственной морской академии имени адмирала С.О.Макарова по адресу: 199026, г. Санкт-Петербург, 22 линия Васильевского острова, дом 3, ОуЭ. 21

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии. Автореферат разослан 2000 г.

Учёный секрета( диссертационно доктор техничес

профессор

Н.Е.Жадобин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В современных экономических условиях конкурентоспособность водного транспорта России определяющим образом зависит от расходов на топливо, доля которых по имеющимся оценкам доходит до 60-70% от общих затрат на содержание флота. При существующих тенденциях роста энерговооружённости судов, сокращения средств на ремонтные работы, возрастания величины топливной составляющей в эксплуатационных расходах вопросы повышения технико-экономической эффективности эксплуатационных режимов судовых гидромеханических комплексов становятся особенно актуальными.

Проблема повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов имеет многоаспектный характер, она затрагивает теоретические, технические и организационные вопросы проектирования и эксплуатации судовых гидромеханических комплексов и их элементов.

Следует отметить, что высокие технико-экономические показатели каждого элемента ещё не гарантируют высокую эффективность гидромеханического комплекса в целом, особенно в неспецификационных условиях и на частичных режимах. Анализ результатов выполненных исследований свидетельствует о том, что систематизированные данные по эксплуатационным режимам главных двигателей имеются для морских транспортных, пассажирских, промысловых судов. Подобные материалы для судов внутреннего и смешанного плавания в литературе отсутствуют, что не позволяет оценивать качество эксплуатации главных энергетических установок и обеспечивать обоснованность проектных решений при их создании. Объективная оценка фактических режимных показателей главных двигателей указанных судов возможна лишь на основе результатов специально проведённого исследования.

Одним из принципиальных аспектов решения рассматриваемой проблемы является повышение достоверности оценки расхода топлива главных двигателей на любых эксплуатационных режимах. В качестве инструментов такой оценки целесообразно использование универсальных характеристик, которое до сих пор сдерживается трудностями их получения. В связи с этим существует необходимость в разработке удобного для практики метода, который позволял бы получать универсальные характеристики с допустимой для практики погрешностью, за короткое время, при малой трудоёмкости проведения испытаний.

Технико-экономическая эффективность эксплуатационных режимов гидромеханического комплекса в значительной степени обусловлена

выбором параметров корпуса судна, движителя, передачи, главного двигателя и зависит от согласованности их характеристик. Поиск оптимального варианта такого согласования является одной из основных задач, решаемых в процессе эксплуатации судна и при его проектировании.

Решение проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на флоте неразрывно связано с повышением эффективности эксплуатации судовых двигателей как элементов гидромеханических комплексов и в этом смысле имеющиеся резервы нельзя считать полностью исчерпанными. Одним из таких резервов является настройка дизелей по критерию топливной экономичности применительно к конкретным условиям эксплуатации, в результате которой осуществляется целенаправленная корректировка конфигурации универсальных характеристик. Другой резерв состоит в рациональном выборе режимов главных двигателей с целью обеспечения экономичного хода судна в заданном рейсе. В настоящее время при решении подобных задач возникают принципиальные затруднения, связанные с некорректной оценкой расхода топлива в результате изменения технического состояния главного двигателя, а также воздействия на судно внешних эксплуатационных факторов.

В связи с современной тенденцией создания оптимальных судов для конкретных линий одним из наиболее важных является* решение вопроса выбора рационального варианта гидромеханического комплекса. Этот выбор непосредственно связан с решением проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов и актуален с точки зрения обеспечения рентабельности перевозок. Вместе с тем процедура выбора весьма трудоёмка, ибо обусловлена необходимостью проведения многовариантных проработок с оперативной оценкой наиболее приемлемых решений на стадиях проектирования комплекса, его модификации или модернизации. Принимаемые при такой оценке проектные решения будут обоснованными и объективными в том случае, если они базируются на результатах анализа данных по эксплуатации судов и на результатах специально проведённых исследований.

Перечисленные вопросы являются актуальными, представляют значительный практический интерес, но до настоящего времени не получили должного решения. Диссертационная работа посвящена комплексному исследованию указанных вопросов.

Цель работы. Разработка методологии повышения эффективности эксплуатационных режимов судовых гидромеханических комплексов на основе рационального использования топливно-энергетических ресурсов, а также применения полученных результатов для решения практи-

ческих задач в процессе доводки дизелей, проектирования и эксплуатации судов внутреннего и смешанного плавания.

Объекты исследования - гидромеханические комплексы грузовых и пассажирских судов внутреннего плавания, судов смешанного плавания и морских судов в различных условиях за период от двух до семи лет эксплуатации; дизельные двигатели в стендовых и судовых условиях.

Методы исследования. Экспериментальная часть исследований основывается на результатах пассивных натурных экспериментов, проведённых в процессе плановой эксплуатации судов внутреннего и смешанного плавания, а также на результатах активных экспериментов в процессе стендовых испытаний дизелей.

Теоретическая часть работы выполнена с применением методов теории вероятностей и математической статистики, теории планирования эксперимента, оптимизации, гидродинамики судна и гребных винтов, рабочих процессов судовых дизелей, численного анализа и математического моделирования на ЭВМ.

При выполнении исследований автор опирался на работы ряда отечественных и зарубежных исследователей: М.Я.Алферьева, В.И.Не-беснова, М.А.Брука, А.АРихтера, С.В.Камкина, Г.А.Давыдова, Г.А.Конакова, М.К.Овсянникова, В.А.Петухова, Ф.М.Кацмана, К.Л.Ржепецкого, И.В.Возницкого, В.Ф.Большакова, В.А.Сомова, Р.М.Васильева-Южина, В.Ю.Гиттиса, Ю.Я.Фомина, Л.Н.Карпова, З.А.Хандова, В.Л.Бондаренко, Ю.М.Кулибанова, П.А.Малого, В.В.Сахарова, В.Г.Ивановского, В.В.Ща-гина, Ю.В.Захарова, H.Hüfner, G.Kessler, E.Aepler, R.Friedl, G.Jahns, и др.

В соответствии с поставленной целью исследования на защиту выносятся следующие основные положения работы:

1. Систематизированные результаты исследований эксплуатационных режимов главных двигателей грузовых и пассажирских судов внутреннего плавания, судов смешанного плавания и работающих в сфере их применения морских судов.

2. Метод получения универсальных характеристик дизелей по расходу топлива при ограниченном объёме эксперимента.

3. Метод согласования характеристик элементов судового гидромеханического комплекса путём настройки дизелей по критерию топливной экономичности в наиболее вероятных условиях эксплуатации.

4. Метод согласования характеристик элементов судового гидромеханического комплекса путём выбора эксплуатационных режимов главных двигателей по критерию топливной экономичности с учётом воздействия эксплуатационных факторов при движении судна.

5. Метод выбора варианта гидромеханического комплекса, оптимального по согласованию характеристик его элементов на наиболее вероятных эксплуатационных режимах с прогнозной оценкой расхода топлива при изменении технического состояния.

6. Практическая реализация предложенных методов с разработкой алгоритмов и компьютерного программного обеспечения, а также с внедрением результатов в процессы доводки дизелей, эксплуатацию судов внутреннего и смешанного плавания, учебный процесс.

Научная новизна диссертационной работы заключается в создании методологии повышения эффективности эксплуатационных режимов судовых гидромеханических комплексов на основе рационального использования топливно-энергетических ресурсов.

Полученные отсутствующие в литературе количественные оценки и закономерности распределения значений фактических режимных показателей главных двигателей позволяют объективно определять качество эксплуатации судовых гидромеханических комплексов и обеспечивать обоснованность проектных решений при создании энергетических установок.

Разработанный новый метод получения универсальных характеристик дизелей по расходу топлива при ограниченном объёме эксперимента впервые позволил определить характеристики при изменении технического состояния дизельных двигателей.

Метод согласования характеристик элементов судового гидромеханического комплекса позволяет осуществлять настройку дизелей по критерию топливной экономичности применительно к конкретным условиям эксплуатации и, таким образом, открывает новую возможность снижения расхода топлива.

Метод согласования характеристик элементов гидромеханического комплекса позволяет производить выбор эксплуатационных режимов главных двигателей впервые с корректной прогнозной оценкой расхода топлива при любом положении винтовой характеристики, изменяющейся в результате воздействия на судно внешних эксплуатационных факторов, с учётом его технического состояния.

Метод выбора гидромеханического комплекса открывает новые возможности, позволяющие на стадии проектирования или модернизации определять его оптимальный вариант по согласованию характеристик отдельных элементов на наиболее вероятных эксплуатационных режимах, с прогнозной оценкой расхода топлива при изменении технического состояния.

Достоверность результатов исследований обеспечивается применением апробированных методик, использованием точной аппаратуры при проведении стендовых и натурных экспериментов, а также удовлетворительным качественным и количественным совпадением результатов расчётов с экспериментальными данными как автора диссертации, так и других исследователей.

Практическая значимость работы определяется созданным подходом к решению задач повышения технико-экономической эффективности эксплуатационных режимов судовых гидромеханических комплексов. В результате, получены количественные оценки и закономерности распределения значений фактических режимных показателей главных двигателей, а также разработаны и реализованы расчётные методы и соответствующее им компьютерное программное обеспечение, которые позволяют:

прогнозировать значения режимных показателей, объективно определять качество эксплуатации судовых гидромеханических комплексов и обеспечивать обоснованность проектных решений при создании энергетических установок;

сокращать трудоёмкость и сроки создания двигателей, повышать их топливную экономичность;

принимать обоснованные решения в процессе проектирования судовых гидромеханических комплексов;

обеспечивать экономичную эксплуатацию СЭУ; повышать эксплуатационные технико-экономические качества комплекса при выполнении ремонтных работ.

Результаты исследований могут быть рекомендованы для практического использования в научно-исследовательских институтах, в судостроительных проектных организациях, на дизелестроительных предприятиях, а также в судоходных компаниях.

Реализация результатов. Результаты исследований эксплуатационных режимов главных двигателей использовались или используются при прогнозировании и оперативной оценке уровня эксплуатационной нагрузки дизелей, в технико-экономических расчётах в ОАО "Судоходная компания Волжское пароходство" и в Украинском (бывшем Советском) Дунайском пароходстве.

В этих пароходствах при оценке топливной экономичности главных двигателей в процессе эксплуатации и проведении теплотехнических испытаний судов используются полученные на стендах АО "РУМО" (бывшего дизельного завода "Двигатель революции") универсальные характеристики двигателей типоразмерного ряда 6ЧРН 36/45. На АО

"РУМО" в процессе проведения межведомственных испытаний получена также универсальная характеристика дизеля 6ЧРН 36/40 и, в результате, подтверждены корректность и оперативность получения данных характеристик с помощью разработанного в диссертации метода.

Результаты исследований, относящиеся к настройке двигателя -постановка задачи, выбор критериев, программное обеспечение, полученные результаты, практические рекомендации - внедрены на АО "РУМО". Целесообразность и эффективность применения разработанного в диссертации метода согласования характеристик путём настройки главных двигателей подтверждена Украинским Дунайским пароходством.

Результаты исследования, относящиеся к оценке технического состояния судовых дизелей, использованы при корректировке Правил Речного Регистра.

Отдельные результаты работы используются в учебном процессе на кораблестроительном факультете НГТУ.

Соответствующие акты внедрения даны в приложении к диссертации.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты выполненных исследований доложены и получили положительную оценку на Всесоюзной научно-технической конференции "Развитие и эксплуатация судовых дизелей и газовых двигателей" (г.Горький, 1976 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы создания новой техники для освоения шельфа" (г.Горький, 1977 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и то-плив" (г.Москва, 1980 г.), на республиканском семинаре "Повышение эффективности судовых энергетических установок и их элементов" (г.Севастополь, 1980 г.), на региональной научно-технической конференции "Проблемы речного транспорта" (г.Горький, 1980 г.), на научно-технических конференциях НТО Судпрома и водного транспорта. "Очередные задачи речного судостроения" (г.Горький, 1979 и 1983 гг.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития двигателей внутреннего сгорания и дизельных установок" (г.Ленинград, 1990 г.), на Всесоюзном научно-техническом семинаре (г.Казань, 1991 г.), на второй межрегиональной научно-технической конференции "Небесновские чтения" (г.Одесса, 1995 г.). Несколько докладов было сделано на научных конференциях и семинарах профессорско-преподавательского состава ВУЗов Н. Новгорода и Одессы.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 научных работ; основное содержание отражено в работах [1 - 26].

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографии из 402 наименований и 11 приложений, содержит 249 страниц текста, 25 таблиц, 36 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика научного направления, обоснована актуальность исследования, сформулирована цель работы, намечены пути достижения поставленной цели, определены объекты исследования, охарактеризованы методы исследования, перечислены выносимые на защиту основные положения диссертации.

В первой главе охарактеризовано состояние проблемы эффективности использования топливно-энергетических ресурсов на судах внутреннего и смешанного плавания, сформулированы задачи исследования. На основе анализа публикаций по рассматриваемой проблеме сделано заключение о необходимости комплексного подхода к обеспечению оптимальных по топливной экономичности параметров корпуса судна, гребного винта, передачи и главного двигателя - элементов гидромеханического комплекса на стадии его проектирования и в процессе эксплуатации в специфических условиях рек и морей.

Вторая глава посвящена исследованию экcплyafaциoнныx режимов главных двигателей судов внутреннего и смешанного плавания. Фактические режимные показатели двигателей существенным образом обусловливают эффективность эксплуатации гидромеханических комплексов. В связи с этим отмечено, что особую практическую значимость представляют количественные оценки фактических режимных показателей главных судовых двигателей. Наличие таких оценок открывает возможность объективно определять качество эксплуатации гидромеханических комплексов и обеспечивать обоснованность проектных решений при создании СЭУ.

Опубликованные данные по эксплуатационным режимам относятся, в основном, к морским судам. Аналогичные данные по судам внутреннего и смешанного плавания, специфичным по своим характеристикам и условиям эксплуатации малочисленны, разрозненны и зачастую противоречивы. Отсутствие систематизированной информации по оценке эксплуатационных режимов главных двигателей судов внутреннего и смешанного плавания затрудняет внедрение прогрессивных решений, направленных, в частности, на повышение эффективности использования топлива в ГЭУ и уровня технического состояния их гидромеханических комплексов.

Результаты выполненных ранее исследований свидетельствуют о преобладании частичных режимов и о весьма неравномерном по времени распределении нагрузки главных судовых двигателей. Характер распределения значений показателей эксплуатационных режимов главных двигателей определяется, в основном, типом и назначением судна, его конструктивными особенностями, составом энергетической установки, техническим состоянием элементов гидромеханического комплекса, навигационными условиями водного бассейна в соответствии с присвоенным классом Регистра, организацией перевозок.

В диссертации принято, что преимущественная работа главных двигателей на частичных режимах является результатом воздействия на судно объективных эксплуатационных факторов, влияние которых имеет временный и случайный характер. Поэтому отдельные режимы главных двигателей как элементов гидромеханических комплексов считаются событиями переменными и случайными, а их изучение проведено вероятностно-статистическими методами.

Установлено, что вероятностные эмпирические распределения значений эксплуатационных режимных показателей главных двигателей в общем виде наилучшим образом аппроксимируются следующими теоретическими законами: относительных значений нагрузки (в частности, мощности N0) - законом Релея, а частоты вращения пн- законом Вей-булла, для которых функции плотности распределения представлены соответственно следующими выражениями:

№) = -2Вр(Ы„-Ар) ехрЕ-ВДК^-А,,)2], (1)

и

Дп,) = Ьвпэь--1/алЬ"ехрНп3/ап)ь"], (2)

где Ар, Вр> ап, Ьп - параметры распределений.

Количественные проверки гипотез о согласованности вероятностных эмпирических распределений значений режимных параметров выбранным теоретическим законам осуществлены по критериям Пирсона и Колмогорова-Смирнова.

Для обработки и хранения информации, полученной в процессе проведённых исследований эксплуатационных режимов главных двигателей, разработано компьютерное программное обеспечение.

Выполнено исследование эксплуатационных режимов главных двигателей сухогрузных судов внутреннего плавания. Цель исследования

состояла в получении, изучении и обобщении количественных оценок фактических режимных показателей главных двигателей в реальных условиях эксплуатации.

В течение двух навигаций проведены натурные исследования режимов главных двигателей сухогрузных судов внутреннего плавания "Волго-Дон 5027" проекта 1565 и "Волго-Дон 155" проекта 507Б без вывода их из эксплуатации. Для получения информации о фактических режимах работы главных двигателей был создан измерительно-регистрирующий комплекс. Эффективная мощность оценивалась по значениям частоты вращения и крутящего момента, определяемого по величинам деформации кручения гребных валов методом торсиометри-рования. Определение часового расхода топлива проводилось одновременно по объёмным расходомерам и датчикам расхода. Определение и регистрация частоты вращения валов выполнялись амплитудным методом при помощи штатных тахогенераторов двигателей.

Пассивные эксперименты на судах проведены по методике хроно-метражных испытаний, в соответствии с которой при прохождении теплоходами типовых участков судового хода выполнены непрерывные измерения с записью на осциллограф параметров, характеризующих работу главных двигателей и движение судна. В качестве типовых были выбраны участки судового хода в Волжско-Камском бассейне и реке Шексне с характерными речными и озёрными условиями плавания, а также подходные и шлюзованные судоходные каналы.

Полученная в процессе испытаний теплоходов "Волго-Дон" результирующая информация в виде массивов величин эксплуатационных режимных показателей главных двигателей оценена с помощью выборочных средних относительных значений эффективной мощности и частоты вращения. Результаты оценки позволили чётко дифференцировать показатели эксплуатационных режимов главных двигателей судов внутреннего плавания по типовым участкам, соответствующим речным, озёрным условиям и движению по каналам. Так, приняв за основу загрузку судна, при осадках 3,09 м и 3,40 м определены уровни значений относительной средней эксплуатационной частоты вращения в речных условиях плавания 0,657...0,659 и 0,707...0,737; в озёрных условиях 0,680...0,917; в каналах 0,583...0,639 и 0,536...0,623; уровни значений эффективной относительной средней мощности составили соответственно 0,375...0,383 и 0,405...0,482; 0,419...0,738; 0,213...0,293 и * 0,203...0,358.

Получена объективная оценка и установлен характер изменения значений режимных показателей главных двигателей в процессе движе-

ния теплохода "Волго-Дон" с грузом 5000 тонн на отрезке судового хода от нижних ворот шлюза № 31 Волгоградского гидроузла с проходом по Волгоградскому рейду. На этом участке, представляющем собой район повышенной сложности плавания, использование мощности правым главным двигателем составило в среднем 31%, а левым - 32% от номинального значения; частота вращения характеризуется соответственно величинами 61% и 64%; средняя техническая скорость на заданном отрезке судового хода оценена величиной 10,4 км/ч.

Аналогичная информация получена в результате хронометрирования экплуатационных режимов главных двигателей судна "Волго-Дон" в грузу с осадкой 3,45 м и балласте с осадкой 2,0 м на отрезках судового хода Горьковского водохранилища и реки Шексны в рейсе Нижний Новгород - Череповец - Городец.

Выполнено исследование эксплуатационных режимов главных двигателей судов смешанного плавания (ССП), в котором применён подход, нередко используемый при изучении эксплуатационных режимов главных двигателей морских судов. В работах, где обобщены результаты подобных исследований, авторы отмечают нерациональность проведения теплотехнических испытаний ввиду их значительной трудоёмкости и указывают, что достоверную оценку вероятных значений режимных показателей главных судовых двигателей можно получйть в результате анализа информации, содержащейся в вахтенных машинных журналах. Известно, что каждая запись данных в машинном вахтенном журнале является фиксацией случайного осреднённого значения показателя в течение ¡-го промежутка времени. Достоверность и целесообразность этой информации для изучения эксплуатационных режимов главных судовых двигателей установлены и обоснованы в специальных исследованиях путём сопоставления значений одних и тех же показателей по записям в машинных журналах и по результатам параллельно проведённых контрольных измерений и наблюдений.

Выполненные исследования свидетельствуют о том, что распределения значений режимных показателей главных двигателей могут быть отнесены к классу случайных эргодических стационарных процессов. Результаты подобных исследований позволяют прогнозировать реальные изменения режимных показателей главных двигателей различных судов. Это в полной мере относится к ССП, являющихся по сфере использования и районам плавания специализированными судами, для которых отсутствие систематизированных данных по режимам главных двигателей затрудняет внедрение прогрессивных решений в процессе их проектирования и эксплуатации.

В диссертационной работе на базе фактического исходного материала по эксплуатации судов и энергетических установок исследованы закономерности распределения значений режимных показателей главных двигателей основных серий ССП и некоторых морских судов в различных условиях плавания. Объектами исследования были главные двигатели ССП шести пароходств - Волжского, Волго-Донского, СевероЗападного, Беломорско-Онежского, Украинского Дунайского и "Волготан-кер", а также морских судов Балтийского пароходства, работавших в сфере применения ССП.

Рассмотрены режимы работы главных двигателей 43 судов (8 морских и 35 судов смешанного плавания) за период от двух до пяти лет их эксплуатации.

Данные о фактических значениях режимных показателей главных двигателей обследованных судов получены в результате обработки судовой эксплуатационной информации, содержащейся в вахтенных журналах. Достоверность результатов контролировалась по материалам эксплуатационных теплотехнических, сдаточных ходовых и других испытаний, а также по отчётным документам пароходств.

Предварительная обработка эмпирических данных заключалась в их группировке по проектам судов, имеющих сопоставимые характеристики, и далее - по различным эксплуатационным условиям. Нагрузка двигателей за время прохождения судном различных участков пути (речных, морских, смешанных), а также за любой выбранный промежуток времени (лето, зиму, навигацию, год, междудоковый период и т.д.) оценивалась с помощью коэффициента использования мощности К«„

Оценки нагрузочных режимов с помощью К„.м., а в дальнейшем рассмотрении - скоростных режимов с помощью коэффициента частоты вращения Кио., позволяют учесть суммарное воздействие на судно эксплуатационных факторов. Кроме того, эти показатели позволяют оценить эксплуатационные режимы судовых энергетических установок с любым типом главныхдвигателей. Для каждой группы данных были вычислены значения К„.„., которые образовали выборки, характеризующие изменение нагрузки главных двигателей в тех или иных условиях плавания. Эти выборки были использованы для выявления вероятностных закономерностей изменения эксплуатационной нагрузки главных двигателей ССП.

Вероятностные эмпирические распределения значений режимных параметров нагрузки К».„. и частоты вращения Ки двигателей ССП аппроксимированы, как и у сухогрузных судов внутреннего плавания, соответственно теоретическими законами Релея и Вейбулла, для которых

функции плотности распределения в общем виде определены выше выражениями (1) и (2).

Полученные результаты статистической обработки значений параметров нагрузки двигателей обследованных судов подтверждают выводы выполненных ранее исследований о существенном различии фактических и номинальных режимных показателей главных судовых двигателей. Вместе с тем эти результаты позволяют дифференцированно (по типам судов и условиям их эксплуатации) оценить уровень эксплуатационной нагрузки главных двигателей ССП и работавших в сфере их применения морских судов.

Так, у ССП проектов 781, 2-95 и 1557, которые в рассмотренный период эксплуатировались на линиях с преобладанием речных участков, уровень эксплуатационной нагрузки главных двигателей составил 0,703...0,744, что значимо меньше, чем у морских судов (0,749...0,927). ССП проектов 570, 1572 и 1588, работавшие на линиях со значительно меньшей протяжённостью речных участков, по показателю нагрузки главных двигателей занимают промежуточное положение между названными ССП и морскими судами (0,739...0,776).

ССП при плавании только в речных условиях имеют наименьший показатель средней эксплуатационной нагрузки главных двигателей (танкеры - 0,618...0,660; нефтерудовозы - 0,645...0,685). Из всех рассмотренных ССП наибольший показатель средней эксплуатационной нагрузки имеют нефтерудовозы, у которых при плавании в Чёрном и Средиземном морях в период с декабря по май он составил 0,840...0,878; у работавших в том же районе в то же время контейнеровозов проектов 570, 1572 и 1588 этот показатель получен в пределах 0,741...0,776, а у сухогрузных судов проектов 781, 2-95 и 1557 - 0,728...0,770.

Полученные данные свидетельствуют о значимом различии показателей эксплуатационной нагрузки главных двигателей нефтерудово-зов и танкеров смешанного плавания, морских контейнеровозов и лесовозов. Уровень эксплуатационной нагрузки главных двигателей ССП -танкеров и нефтерудовозов существенно зависит от района плавания. Однако обращает на себя внимание то, что по сезонам этот показатель у обследованных судов изменяется незначительно.

Характеризуя эксплуатационные режимы главных двигателей в условиях Волжско-Камского бассейна, следует отметить, что в целом значения показателя средней эксплуатационной нагрузки у ССП выше, чем у сухогрузных судов внутреннего плавания.

Таким образом, можно заключить, что уровень эксплуатационной нагрузки главных двигателей у ССП значимо меньше, чем у морских су-

дов; вместе с тем этот показатель в целом выше, чем у сухогрузных судов внутреннего плавания, и, как правило, зависит от типа судна и района эксплуатации.

Выполнено исследование эксплуатационных режимов главных двигателей речных пассажирских судов, движение которых регламентировано расписаниями, с целью получения и обобщения количественных оценок их фактических режимных показателей в реальных условиях плавания.

Проведены натурные испытания пассажирских теплоходов "Генерал Н.Ф.Ватутин", "Михаил Фрунзе" и "Фёдор Шаляпин" в процессе их плановой эксплуатации на участках судового хода бассейна реки Волги. Пассивные эксперименты на судах выполнены по методике хро-нометражных испытаний в течение четырёх навигаций.

Режимные показатели двигателей за время прохождения судами участков пути оценены с помощью коэффициентов К,» и Кио. Полученные данные хронометрирования режимов главных двигателей пассажирских теплоходов систематизированы по участкам судового хода и сопоставлены с аналогичной информацией по сухогрузным теплоходам внутреннего плавания "Волго-Дон 155" и "Волго-Дон 5027". В результате проведённых испытаний пассажирских судов получены дифференцированные количественные оценки фактических режимных показателей главных двигателей в реальных условиях плавания и подтверждена зависимость значений показателей нагрузки и частоты вращения от путевых и навигационных особенностей участков судового хода.

Исследованы закономерности распределения значений режимных показателей главных двигателей девяти судов Волжского пароходства за период от трёх до семи лет их эксплуатации в различных условиях плавания. Исследование основано на предпосылках и методических принципах, разработанных и изложенных выше применительно к режимам главных двигателей ССП. Массивы значений фактических режимных показателей главных двигателей обследованных судов получены в результате обработки судовой эксплуатационной информации, содержащейся в вахтенных журналах. Контроль достоверности результатов выполнен по материалам эксплуатационных теплотехнических, сдаточных ходовых, хронометражных и других испытаний. Режимные показатели главных двигателей за время прохождения судном различных участков судового хода единой глубоководной системы европейской части России оценивались с помощью коэффициентов использования мощности Ким. и частоты вращения Кко..

Полученные результаты свидетельствуют о существенной зависимости фактических режимных показателей главных двигателей от проектных характеристик речных пассажирских судов, путевых условий. В частности, зафиксировано представляющее практический интерес перераспределение значений режимных показателей по двигателям при Движении судна на одном отрезке пути, но в разных направлениях. Рассмотрены режимы главных двигателей теплохода "Фёдор Шаляпин" в рейсе Москва - Астрахань - Москва. При движении судна на участке Москва - Астрахань величина показателя средней нагрузки по всем главным двигателям получена в интервале (0,559...0,571) и составляет К„.«,.= 0,565, что значимо меньше по сравнению с величиной К„».= 0,603 из интервала (0,578...0,628), полученной при движении на участке Астрахань -Москва. Величины показателя средней частоты вращения также имеют значимое различие и составляют соответственно Кио.= 0,882 (0,852... 0,885) и Кно.= 0,892 (0,886...0,898). На указанных участках отмечены также значимые различия величин режимных показателей нагрузки и частоты вращения по отдельным двигателям.

Сравнение результатов выполненных исследований показывает, что в целом уровень эксплуатационной нагрузки главных двигателей рассмотренных пассажирских судов значимо ниже, чем у ССП при их работе в речных условиях.

Систематизированная информация, полученная в результате выполненных в главе 2 исследований, позволяет прогнозировать и моделировать режимы главных двигателей сухогрузных и пассажирских судов внутреннего плавания, а также судов смешанного плавания применительно к различным условиям эксплуатации. Эта информация может быть использована при определении оптимального состава гидромеханического комплекса, проведении различных технико-экономических расчётов, в частности, при разработке нормативов расхода топлива, а также при решении других задач в процессе эксплуатации судов и при их проектировании.

Отмечено, что в процессе эксплуатации режимные и технико-экономические показатели судна в значительной мере обусловлены техническим состоянием гидромеханического комплекса. В контексте рассматриваемой проблемы особый интерес представляют относительные критерии, основанные на сопоставлении значений режимных показателей комплекса в текущий момент времени с базовыми значениями при идентичных внешних условиях и положении органов управления.

Такая оценка возможна, в частности, с использованием относительного показателя, предложенного проф. Г.А.Конаковым. Вместе с

тем необходимо отметить, что при выводе выражения для указанного показателя принято допущение о квадратичной зависимости сопротивления воды движению судна от его скорости. Однако анализ результатов натурных испытаний грузовых, и пассажирских судов внутреннего и смешанного плавания с гребными винтами и комплексами винт-насадка показал, что для них сопротивление пропорционально не квадрату скорости, а более высоким степеням; следовательно, допущения, при которых получен данный показатель, являются довольно грубыми.

В диссертации предложено скорректированное выражение для относительного показателя эксплуатационно-технического состояния гидромеханического комплекса, учитывающее индивидуальные особенности судна (водоизмещение, номинальные суммарную мощность главных двигателей и скорость). Оценка точности расчётов показала, что использование скорректированного выражения позволяет, по сравнению с предложенным ранее, уменьшить вероятную погрешность определения величины сопротивления более чем вдвое.

Проведена проверка стабильности значений скорректированного показателя Wm( на различных эксплуатационных режимах в процессе натурных испытаний теплохода "Волго-Дон 5027". Замеры параметров выполнены в широком диапазоне частот вращения по четырём винтовым характеристикам. Максимальное отклонение вёличины показателя W„, от среднего значения по всем винтовым характеристикам не превысило величины 1,62%, что позволяет использовать его для оценки технического состояния гидромеханического комплекса в процессе эксплуатации.

Выполнена оценка изменения величины показателя WraK применительно к гидромеханическому комплексу теплохода "Волго-Дон 155" за весь период его эксплуатации. Отмечены общая тенденция ухудшения технического состояния гидромеханического комплекса (снижения величины показателя W№, ), значимое увеличение рассматриваемого показателя после выполнения каждого среднего ремонта, адекватность и однозначность проведённой оценки за любой период эксплуатации судна.

На основе результатов теплотехнических испытаний получены оценки величин показателя W^. технического состояния гидромеханических комплексов 35 теплоходов "Волго-Дон" и определены признаки его изменения в процессе эксплуатации. У рассмотренных судов одной из основных причин снижения значения показателя W^,, является ухудшенное состояние движительно-рулевого комплекса, которое в первую очередь связано с установкой гидродинамически тяжёлых гребных вин-

тов. Установлены остальные признаки изменения технического состояния элементов гидромеханических комплексов рассмотренных судов. Результаты апробации показали, что показатель \УГМК адекватно отражает изменения технического состояния гидромеханического комплекса судов внутреннего плавания независимо от режимов эксплуатации;

позволяет однозначно и объективно оценивать техническое состояние гидромеханического комплекса на произвольном эксплуатационном режиме при нормальных гидрометеорологических условиях с использованием штатной контрольно-измерительной аппаратуры, за любой период эксплуатации судна;

может быть применён для нормирования энергоэкономических показателей в процессе эксплуатации судна, прогнозирования технического состояния гидромеханического комплекса. В последнем случае прогнозирование значений расхода топлива возможно по универсальным характеристикам, построенным при различном техническом состоянии двигателя по мере выработки им ресурса.

В третьей главе рассмотрен один из принципиальных аспектов решения проблемы эффективности топливоиспользования на судах - повышение достоверности прогнозирования расхода топлива на стадии проектирования гидромеханических комплексов и в процессе их эксплуатации. В качестве инструментов такой оценки на любых эксплуатационных режимах целесообразно использовать универсальные характеристики дизелей, представленные изопараметрическими линиями расхода топлива в координатах нагрузка — частота вращения вала.

Режимы наибольшей экономичности дизеля по универсальной характеристике наглядно определяются областью, ограниченной линией постоянного минимального значения удельного расхода топлива. Кроме того, эти характеристики позволяют проводить количественную оценку расхода топлива практически для любого режима эксплуатации. И, наконец, универсальные характеристики по расходу топлива допускают соответствующие количественные обобщения с помощью однозначных критериев, что существенно упрощает анализ и прогнозирование, а также повышает достоверность выводов при сравнении двигателей различных конструкций в процессе их выбора ещё на стадии проектирования гидромеханических комплексов.

Корректное получение универсальных характеристик с использованием общеизвестного экспериментального метода требует опытного определения значительного количества точек и большой тщательности в проведении самих экспериментов, иначе трудно будет получить замк-

нутые кривые. Для уверенной интерполяции размер экспериментального массива в литературных источниках оценивается сотнями (до 250 и более) точек.

К сказанному следует добавить, что материальные затраты, связанные с получением такой характеристики, прямо пропорциональны мощности двигателя. Кроме того, как показывает практика, весьма трудоёмкой процедурой является обработка экспериментального материала. Необходимо отметить также вероятность деформации получаемой универсальной характеристики из-за изменения технического состояния двигателя в процессе длительной работы на различных режимах. Отсюда следует, что получение универсальной характеристики одного двигателя связано со значительными трудностями, получение же нескольких таких характеристик перерастает в проблему. Названные обстоятельства препятствуют широкому применению универсальных характеристик в процессе проектирования, исследований, доводки, эксплуатации дизельных двигателей и энергетических установок. Таким образом, существует необходимость поиска рациональных путей получения данных характеристик.

В результате анализа известных публикаций установлено, что предложенные в них методы получения универсальных характеристик двигателей не могут быть признаны в достаточной мере удовлетворительными: одни - из-за необходимости проведения длительных испытаний дизелей, другие - из-за недостаточной точности или некорректности получаемых результатов. Таким образом, есть основания считать необходимым проведение дальнейшего поиска в этом направлении.

В диссертации разработан расчётно-экспериментальный метод получения универсальных характеристик дизелей. Метод основан на допущении, что семейства линий часового расхода топлива Вч = м/(ре) нагрузочных характеристик, полученные при различных постоянных значениях частоты вращения вала двигателя, в пространстве с координатами (п, ре, Вч) образуют некоторые поверхности Ч7.

Особенностью разработанного метода является аппроксимация данных поверхностей интерполяционными полиномиальными моделями по возможности наименьшей степени относительно независимых переменных п и ре, Это достигается путём приближения поверхностей Ч* к плоскости за счёт преобразования системы координат к виду (п, рек,1лВч).

В результате выполненного преобразования исследуемая поверхность Ч* с достаточной для практики точностью может бьггь представлена математической моделью либо в виде неполного полинома второй степени

1пВ„ = а0+а,п + а2рек +а12прек, (3)

либо в виде полного полинома второй степени

1пВч =а0+а]п + а2рек + а|2прек+амп2+сс22ре2к, (4)

где а 0, а,, а 2, а |2, а,,, а 22 - коэффициенты, статистические оценки которых соответственно а0)а1,а2,а12,а11,а22 используются при расчёте параметров изопараметрических линий расхода топлива универсальных характеристик.

Разработанный метод апробирован путём получения универсальных характеристик дизелей типоразмерного ряда 6ЧРН 36/45 (Г70, Г70-5, Г60), дизель-редукторного агрегата 6ЧРПН 36/45 (ДРА Г74), головного образца дизеля 6ЧРН 36/40 (Г95) по результатам их испытаний на стендах АО "РУМО". Получены также универсальные характеристики других четырёхтактных двигателей. Всего в диссертации представлены математические модели универсальных характеристик 17 дизельных двигателей из диапазонов мощности 110 ... 2250 кВт и частоты вращения 350 ... 1600 мин"1.

Экспериментальная проверка показала, что математические модели (3) и (4) позволяют адекватно оценивать величину расхода топлива при изменении режимных параметров п и ре . Так, в частности, для двигателей 6ЧРН 36/45 величины относительной средней квадратичной погрешности аппроксимации исходных данных составили моделью. (3) ц' = 0,15%, а моделью (4) ц' = 0,11%. Относительная средняя квадратичная погрешность аппроксимации исходных данных полученными моделями в целом не превысила величины ц' = 1,0%.

В соответствии с изложенным методом разработаны алгоритм, блок-схема которого представлена на рис.1, и программа получения универсальных характеристик дизелей, создана компьютерная система. Данная система обладает необходимым набором интерактивных инструментов (диалоговыми панелями, системой меню, цветовой палитрой и др.), которые облегчают ввод данных, настройку хода решения задачи и последующую оценку полученных результатов. Компьютерная система обеспечивает получение универсальных характеристик с выводом необходимой пользователю информации в аналитическом, табличном и графическом виде, а также совмещение на одном графике нескольких

Рис.1. Блок-схема алгоритма получения универсальных характеристик дизелей

200 225 250 275 300 325

П об/мин

Рис.2. Универсальные характеристики двигателя 6ЧРН 36/45 (Г70), соответствующие значениям наработки 250 ч (1) и 9000 ч (2)

характеристик, полученных при разных условиях испытаний дизелей. В качестве примера рис.2 иллюстрирует изменение конфигурации универсальной характеристики, а, следовательно, и значений удельного расхода топлива в поле эксплуатационных режимов дизеля 6ЧРН 36/45 (Г70) по мере выработки им ресурса.

В четвёртой главе решение проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов рассмотрено сточки зрения повышения эффективности эксплуатации главных судовых двигателей и связано с реализацией оптимизационной задачи их настройки.

При поиске оптимального варианта настройки дизелей как элементов гидромеханического комплекса в процессе его эксплуатации и на стадии проектирования существует необходимость определения расхода топлива на любом эксплуатационном режиме с использованием универсальных характеристик.

Изменение организации рабочего процесса в цилиндрах дизеля, характеризуемой разными значениями настроечных параметров, приводит к изменению конфигурации изолиний удельного расхода топлива.

Анализ многочисленных публикаций, содержащих оценку влияния значений параметров рабочих процессов дизелей на их топливную экономичность, показал, что задача направленного изменения конфигурации универсальной характеристики путём настройки главного судового двигателя ранее не ставилась. Это обстоятельство позволило сделать вывод о необходимости разработки методологической основы реализации настройки главных двигателей по критерию топливной экономичности применительно к реальным условиям эксплуатации с использованием универсальных характеристик по удельному расходу топлива.

Исследовано изменение конфигурации изолиний удельного расхода топлива универсальной характеристики двигателя 6ЧРПН 36/45 при различной организации рабочего процесса, характеризуемой разными значениями угла опережения впрыска топлива <рот, геометрической степени сжатия е0, пропускной способности соплового аппарата турбины црт, угла перекрытия клапанов фпк. Выбор названных параметров в качестве настроечных обусловлен, прежде всего, их сильным влиянием на организацию рабочего процесса и возможностью изменения путём соответствующих регулировок дизеля с конструктивными минимальными переделками в процессе эксплуатации.

Исследование выполнено на основе проведения вычислительного эксперимента: универсальные характеристики определены с помощью указанной выше компьютерной системы, а исходные данныё для их получения - путём математического моделирования рабочего процесса ди-

зеля с использованием модели ЦНИДИ, которая позволяет с достаточными для практических целей достоверностью и полнотой изучить характер и оценить степень влияния выбранных настроечных параметров на расход топлива и другие показатели двигателя с газотурбинным наддувом.

В результате исследования установлена возможность целенаправленного изменения конфигурации универсальной характеристики по удельному расходу топлива, а, следовательно, воздействия на величины соответствующих критериев при настройке главного судового дизеля.

Рассматриваемая в данной главе задача настройки конкретизирована следующим образом:

при заданных характеристиках корпуса судна, гребного винта и передачи определить значения настроечных параметров главного дизеля для создания оптимальных условий протекания рабочего процесса в его цилиндрах, системах наддува и топливоподачи с целью максимального использования резервов по топливной экономичности на наиболее вероятном эксплуатационном режиме.

Математическая формулировка данной задачи имеет следующий

вид:

найти минимум функции Ьвэ.= Р(х1,х21х3,х4) при ограничениях О^.Хг.Хз.зсО - С ° > 0, ¡ = 1,2,3;

] = 1,2,3,4;

где Ьеэ. - эффективный удельный расход топлива при работе

двигателя на наиболее вероятном эксплуатационном режиме;

(хьхг.хз.х*) - параметры настройки двигателя соответственно срот,

80, Ц^ фпк;

а,, Ц - границы изменения параметров настройки; бч. Сг, вз - контролируемые параметры рабочего процесса двигателя, соответствующие величинам максимального давления сгорания рта*, температуры выпускных газов перед турбиной Тд1, действительного коэффициента избытка воздуха ад; ОД вД С3° - предельно допустимые значения соответствующих контролируемых параметров.

Целевая функция имеет вид:

НРО = Ь„(х)+С,(ртах -рт.;ф)2 +С2(ад"'1> -ад)2 +С3(Т8, -Т/*)2, (4) где С,, С2, С3- штрафные коэффициенты.

Метод решения задачи представляет собой сочетание методов штрафных функций и Хука-Дживса; параметры рабочего процесса дизеля определяются с помощью математического моделирования.

В соответствии с вышеизложенным для реализации поиска оптимальной комбинации значений настроечных параметров двигателя разработано компьютерное программное обеспечение, которое в процессе решения позволяет осуществлять оперативный контроль результатов с помощью универсальных характеристик. Блок-схема алгоритма приведена на рис.3. Процесс поиска оптимального варианта настройки двигателя 6ЧРПН 36/45 применительно к наиболее вероятным условиям его эксплуатации в составе гидромеханического комплекса судов смешанного плавания проекта 1588 ^еэяр.= 840 кВт, пЭСр.= 451 мин"1) проиллюстрирован рис.4, На рис.4а показано изменение относительных значений настроечных параметров фот,7„,цРт и ф„., ограничительных параметров

рти,ТЕ1 и а,, а также критерия оптимальности Ь>. по шагам поиска, на которых наблюдалось уменьшение значения целевой функции. На рис.4б в относительных координатах (п, N0 показано изменение универсальной характеристики по удельному расходу топлива: по мере приближения к оптимуму конфигурация характеристики целенаправленно трансформируется так, что на каждом последующем шаге через точку В и другие точки поля рабочих режимов исследуемого двигателя проходят изопараметрические линии со.значениями Ье меньшими, чем на предыдущем шаге. Полученные данные свидетельствуют также об улучшении параметров двигателя: снижении ртах, повышении ад, уменьшении удельного расхода топлива на наиболее вероятном эксплуатационном режиме Ьеэ. на 0,0074 кг/(кВт ч).

Таким образом, при установленных для рассматриваемого дизеля ограничениях по тепловой и механической напряжённости найдена оптимальная комбинация значений настроечных параметров <рот, е0, рРт и Ф„к и, в результате, осуществлено целенаправленное изменение конфигурации универсальной характеристики по удельному расходу топлива.

С

Начало

3

Модуль ввода исходных параметров математической модели рабочего процесса дизеля, метода конфигураций и метода штрафных функций

Модуль реализации метода

2 Хука-Дживса

4

3 Модуль формирования

целевой функции

1 г

Создание отчёта

( Конец )

Математическая модель рабочего процесса двигателя

Рис.3. Блок-схема алгоритма поиска оптимальных значений настроечных параметров двигателя

Рис.4. Процесс поиска оптимальной настройки главного двигателя 6ЧРПН 36/45 по критерию топливной экономичности на наиболее вероятном эксплуатационном режиме:

а - поиск оптимальной комбинации значений настроечных параметров рабочего процесса; б - изменение конфигурации универсальной характеристики по удельному расходу топлива; А, В - точки номинального и наиболее вероятного эксплуатационного режимов; 1 - ограничительная характеристика двигателя.

Выполнено исследование влияния каждого из указанных настроечных параметров на топливную экономичность двигателя. Полученные результаты, представляющие практический интерес, свидетельтвуют, что для рассматриваемого дизеля наиболее сильное влияние на величину эффективного удельного расхода топлива оказывают угол опережения впрыска топлива и пропускная способность соплового аппарата турбины; влияние геометрической степени сжатия и угла перекрытия клапанов значительно слабее.

Настраиваемый двигатель 6ЧРПН 36/45 относится к типоразмер-ному ряду отечественных дизелей, которые, как показали результаты анализа фактических данных по токсичности и дымности отработавших газов, полностью удовлетворяют требованиям отечественных и лишь частично требованиям зарубежных стандартов.

Оценка содержания в выпускных газах вредных выбросов, прежде всего одного из главных токсичных компонентов - оксидов азота, показала, что в полученных вариантах настройки при уменьшении фот и увеличении Со достигается снижение 1ЧОх, а при снижении ррт и увеличении фпк содержание N0* практически не изменяется по сравнению с базовым вариантом.

Полученные результаты поиска оптимального варианта настройки двигателя 6ЧРПН 36/45 подтверждены экспериментально, что свидетельствует о целесообразности и эффективности практического применения разработанного метода на стадии проектирования судовых гидромеханических комплексов и в процессе их эксплуатации.

В пятой главе рассмотрены методы решения одной из основных задач проектирования и эксплуатации судна - обеспечения оптимальных по топливной экономичности параметров гидромеханического комплекса в реальных условиях плавания.

Корпус, движитель, передача и главный двигатель, работающие во взаимодействии, располагают своими собственными характеристиками, от согласованности которых существенным образом зависит эффективность эксплуатационных режимов гидромеханического комплекса.

Отмечено, что совершенство собственных характеристик каждого элемента ещё не гарантирует высокую эффективность гидромеханического комплекса в целом, особенно в неспецификационных условиях и на частичных режимах. Поэтому на стадии проектирования гидромеханического комплекса его элементы должны выбираться с учётом их взаимного влияния, а также воздействия эксплуатационных факторов, приводящих, как правило, к потере скорости судна.

Практика эксплуатации судов внутреннего и смешанного плавания свидетельствует о том, что у них наиболее ощутимые изменения режимов гидромеханического комплекса связаны с действием таких эксплуатационных факторов, как коррозия и обрастание подводной части, вет-ро-волновое воздействие, навигационные условия, изменение загрузки.

В контексте обсуждаемой проблемы опубликовано большое количество работ многих авторов, рассмотревших взаимодействие отдельных элементов гидромеханического комплекса, а также влияние на судно эксплуатационных факторов, в результате которых характеристики корпуса и гребных винтов претерпевают изменения. В этих работах главный двигатель принимается, как правило, в состоянии поставки и его характеристики считаются фиксированными. Однако в эксплуатации техническое состояние дизеля изменяется, что отражается на его технико-экономических показателях и приводит к трансформированию универсальной характеристики. В результате часто оказывается, что область минимальных удельных расходов топлива универсальной характеристики главного двигателя располагается неблагоприятно, то есть либо частично, либо полностью находится вне границ поля эксплуатационных режимов.

Исходя из изложенного, в данной главе задача согласования конкретизирована следующим образом:

для рассматриваемого судна определить сочетание характеристик элементов гидромеханического комплекса, учитывающее его техническое состояние и оптимальное с точки зрения топливной экономичности главных двигателей на наиболее вероятных эксплуатационных режимах; показатели тепловой и механической напряжённости дизелей на номинальном режиме должны сохраняться на уровне, гарантирующем надёжную работу. Определение характеристик элементов гидромеханического комплекса выполняется на основе гипотезы квазистационарности режимов.

Эта задача формализована как задача математического программирования и в общем виде представлена следующим образом:

минимизировать непрерывную функцию для выбранного критерия топливной экономичности, например, удельного расхода топлива

ЬЙ.^(Х), ХеЕ" при имеющихся т ограничениях в виде равенств

Ь](Х) = 0, ] = 1.....т

и (р - т) ограничениях в виде неравенств

Ч|(Х)>0, ] = т + 1,..„ р,

где Х = (Х, ХгХг+, ,...,Хк ,...,Х|.+| ,...,Х, ,...,Х|+|Д,...,Х„Д) -

- совокупность варьируемых параметров в п-мерном евклидовом пространстве, характеризующих, в соответствии с присвоенным индексом, корпус судна (индекс К), гребной винт (В), передачу

(П), главный двигатель (Д).

Отмечено, что конкретизация задачи в значительной мере обусловливает выбор подходов к её решению и критериев оценки получаемых результатов.

В диссертации рассмотрены два подхода к повышению эффективности эксплуатационных режимов гидромеханического комплекса и судна в целом и, соответственно, разработаны два метода согласования:

1) путём соответствующей настройки главных двигателей, в результате которой осуществляется целенаправленная корректировка конфигурации их универсальных характеристик;

2) путём выбора режимов главных двигателей, которые обеспечивают экономичный ход судна в конкретных условиях эксплуатации.

Согласование характеристик элементов гидромеханического комплекса путём настройки главных двигателей проводится в три этапа. На первом этапе определяется поле Б эксплуатационных режимов. При этом, прежде всего, устанавливаются параметры закона изменения средней скорости судна под влиянием коррозии и обрастания корпуса и гребного винта с течением времени эксплуатации.

В контексте рассматриваемой задачи поле эксплуатационных режимов определено в общем виде положением характеристик двигателя -ограничительных и регуляторной предельных частот вращения коленчатого вала, а также винтовых характеристик - облегченной (соответствующей ходу судна в балласте с очищенной подводной частью в штиль), утяжелённой (соответствующей ходу судна с полной загрузкой при максимальной шероховатости подводной части в наиболее неблагоприятных погодных условиях), средней эксплуатационной, соответствующей наиболее вероятным условиям эксплуатации судна. При необходимости в рассмотрение вводится зона наиболее вероятных эксплуатационных нагрузок главного двигателя.

Математически поле эксплуатационных режимов главного судового двигателя представляет собой множество:

в = {п,N. :Ые >а,п'°,н7<|3'пт,Ые >Уп,Ые <6'п,Яе -^п + 0'},

где Оа', р", у, 5', е', С, ©' - положительные коэффициенты.

Для широко распространённых на судах внутреннего и смешанного плавания установок с жёсткой связью между главными двигателями и гребными винтами получение винтовых характеристик в диссертации выполняется на основе решения системы дифференциальных уравнений, отражающих динамическое состояние комплекса "корпус - винты -двигатели":

= М„ --

А

-А) 2 1— = —— А 4тс2

4л

К20+а2'Хр

(1-Ю.Х1-®,)

рОдСО2 — МТ

рОв4со -

2(1-аи1>0Г

-П

(5)

где и - момент инерции подвижных звеньев механизма двигателя и гребного винта с учётом увлекаемой им массы воды; со - угловая скорость вращения вала двигателя; 1 - время; Мд - движущий момент; Мт -приведённый к валу двигателя момент суммарных потерь от сил трения в дизеле и валопроводе; Ов - диаметр гребного винта; т" - масса судна с учётом присоединённой массы воды; и - скорость судна; гр - количество гребных винтов; «1, Кг, ф - коэффициенты упора, момента и попутного потока; а^ ,а'2. угловые коэффициенты линеаризованных зависимостей соответственно ^(Ар) и К2= ^(Лр); О - площадь смоченной поверхности корпуса; С - коэффициент полного сопротивления судна; ац - коэффициент потери скорости; ^ - время, соответствующее выходу судна с очищенной подводной частью; - время, прошедшее после очистки подводной части судна; р - массовая плотность воды; индексы соответствуют моментам времени: о - начальному, I - текущему.

Система дифференциальных уравнений (5) позволяет получать решения с учетом влияния геометрии и режима работы гребного винта, его взаимодействия с корпусом, а также с учётом изменения шероховатости подводной части при различной загрузке судна. При этом измене-

ние загрузки учитывается величиной массы судна, назначаемой на основе отчётных данных эксплуатации, а ветро-волновое воздействие оценивается с помощью диаграммы поправок мощности Ван-Ламме-рена.

В качестве регуляторной характеристики предельных частот вращения вала двигателя принята прямая n„= const; ограничительной характеристики — зависимость, предложенная Г.Н.Сиротиной и И.К.Чачхи-ани. При назначении границ интервала Аэ наиболее вероятных эксплуатационных нагрузок главных двигателей судов внутреннего и смешанного плавания используются материалы исследований, приведённые в главе 2 диссертационной работы.

Второй этап включает получение универсальной характеристики главного двигателя методом, изложенным в главе 3 диссертации, а также соответствующую оценку топливной экономичности при согласовании характеристик элементов гидромеханического комплекса на эксплуатационных режимах. Обоснованы и используются следующие критерии такой оценки:

1) величина эффективного удельного расхода топлива при работе главного двигателя со средней эксплуатационной мощностью Ыеэ.ср.:

. В_ (6)

N

ез.ср.

где Вчэ. - часовой расход топлива при работе двигателя на наиболее вероятном эксплуатационном режиме;

2) математическое ожидание эффективного удельного расхода топлива по полю Б наиболее вероятных эксплуатационных режимов:

К. = ЯЬе (х> У)' Рд,я. (*> У) • dx dy, (7)

где Ье(х,у) - удельный расход топлива на режиме с параметрами п = х, Ые = у;

Рйя (х,у) - совместная плотность распределения вероятностей величин п и N..

На третьем этапе согласования осуществляется поиск оптимального варианта настройки главного двигателя при соблюдении установ-

ленных для него ограничений по тепловой и механической напряжённости, с использованием разработанных в главе 4 алгоритмов и компьютерного программного обеспечения, а также с получением соответствующей универсальной характеристики.

Согласование характеристик элементов гидромеханического комплекса в конкретном рейсе при изменяющихся условиях судового хода достигается в результате целенаправленного поиска значений режимных параметров главных двигателей, оптимальных по критерию расхода топлива.

Реализация рассматриваемого подхода связана с управлением главными двигателями, в результате которого целенаправленно изменяется скорость судна на отдельных участках трассы. Отмечено, что при существующей практике для каждого из участков устанавливается своя зависимость расхода топлива от скорости с использованием обычно либо паспортных данных, не отражающих изменение технического состояния дизелей, либо экспериментально определённых зависимостей, получение которых представляет известные трудности. Обращено внимание и на то, что для различных участков судового хода характерно изменение сопротивления движению, вызванное условиями плавания, причём наибольшие изменения происходят при движении судна по открытым акваториям (озёрным, морским). Винтовая характеристика, которая отражает результирующее воздействие на судно эксплуатационных факторов, изменяет своё положение в широких пределах - от облегчённой до утяжелённой, привнося тем самым дополнительную погрешность в оценку расхода топлива.

В соответствии с разработанным методом оценка расхода топлива выполняется по универсальным характеристикам, полученным при различной выработке ресурса главными двигателями. Отмечено, что при решении задачи оптимизации режимов работы главных двигателей следует оперировать значениями часового, а не удельного расхода топлива. Это связано с тем, что при заданном скоростном режиме движения судна может оказаться выгоднее работать не в точке минимального удельного расхода при некоторой мощности, а в точке повышенного удельного расхода, но при меньшей мощности. В этом случае расход топлива на трассе и его расход на единицу пути могут иметь меньшие значения, чем в точке минимального удельного расхода.

В диссертации задача оптимизации режимов работы главных двигателей решается в двух постановках:

1) выбор режимных параметров дизелей, обеспечивающих минимальный расход топлива за рейс, трактуется как задача нахождения про-

граммного управления режимами главных двигателей, при которых вектор скоростей движения ^ ^ = 1 N. где N - общее число участков трассы) изменяется так, что установленный целевой функционал - расход топлива Вт - принимает оптимальные значения по трассе и при этом выполняются все дополнительные условия.

Целевой функционал, выступающий в качестве критерия оптимальности при решении поставленной задачи, представлен в виде

где через обозначен расход топлива в зависимости от скорости движения судна на ¡-м участке.

Из выражения (8) следует, что величина расхода топлива будет оптимальной в том случае, если на каждом участке оптимальным образом задавать режимы главных двигателей (а, следовательно, скорость хода судна). Блок-схема алгоритма решения данной задачи приведена на рис.5;

2) выбор режимных параметров дизелей с целью достижения минимального расхода топлива за рейс при заданном времени перехода судна представлен в виде задачи нахождения программного управления режимами динамического объекта в условиях ограничений.

Критерий оптимальности задачи в данной постановке идентичен, представленному выражением (8).

При решении данной задачи, по сравнению с предыдущей, принимается дополнительное условие:

где Т0 - задаваемое время прохождения трассы, Ъ - время прохождения 1-го участка.

Для решения задачи используется метод множителей Лагранжа. Оптимальная скорость на 1-м участке находится из уравнения

N

(8)

Т0 =

О)

= 0.

(Ю)

Рис.5. Блок-схема алгоритма решения задачи прохождения трассы с минимальным расходом топлива за рейс

где и; - скорость прохождения 1-го участка,

игеч.) - среднее значение скорости течения на ¡-м участке трассы с учётом знака.

Определение оптимальных значений скорости хода судна на отдельных участках трассы связано с нахождением неизвестного значения множителя Лагранжа X в результате реализации итеративной процедуры, которая заключается в вычислении корня нелинейного уравнения

¡=1

где для вычисления ^ (X) из решения уравнения (10) сначала находится величина и| при известном X, а затем вычисляется время прохождения судном ¡-го участка:

где I, - длина ¡-го участка,

Блок-схема алгоритма решения данной задачи приведена на рис.6.

В соответствии с разработанными методами выполнено согласование характеристик элементов гидромеханического комплекса судна смешанного плавания "Василий Шукшин". В основу согласования положены фактические данные эксплуатации судов соответствующего проекта и их главных двигателей.

В результате реализации метода согласования характеристик путём настройки главных двигателей осуществлена целенаправленная корректировка конфигурации их универсальных характеристик и достигнуто снижение эффективного удельного расхода топлива в точке наиболее вероятного эксплуатационного режима на 4,1 г/(кВт ч), а по полю режимов - на 3,9 г/(кВт ч). Такое снижение позволяет в расчёте на серию из 12 судов ежегодно экономить свыше 300 тонн топлива. Целесообразность и эффективность практического применения разработанного метода согласования подтверждены результатами стендовых испытаний двигателя 6ЧРПН 36/45 на АО "РУМО" и актом внедрения в Украинском Дунайском пароходстве.

( Начало )

... I--

,' Ввод исходных / данных

С Конец 3

Рис.6. Блок-схема алгоритма решения задачи прохождения трассы с минимальным расходом топлива за рейс при заданном времени перехода судна

Выполнена расчётная реализация метода согласования характеристик гидромеханического комплекса судна путём выбора режимов главных двигателей в рейсе Рени - Одесса — Стамбул. Оценено влияние технического состояния гидромеханического комплекса при значениях определённого в главе 2 относительного показателя 1,00; 0,73 и

0,55 на режимные и экономические параметры эксплуатации судна. Так, считая базовым значением оптимальную величину скорости хода при ^гмк= 1,0, зафиксировано её уменьшение на глубокой воде при = 0,73 на 7,0%, а при = 0,55 на 15,5%; соответственно возросли потери ходового времени на 2,17 и 5,67 часа. Проведённый анализ значений показателей технико-экономических качеств судна в заданном рейсе при изменяющемся техническом состоянии с различными вариантами настройки главных двигателей свидетельствует о значительных резервах, заложенных в назначении режимов их работы с целью согласования характеристик элементов гидромеханического комплекса по критерию расхода топлива.

В шестой главе рассмотрен метод выбора оптимального варианта гидромеханического комплекса, его параметрических и конструктивных решений, которые в значительной степени обусловливают технико-эксплуатационную эффективность судна.

Задача выбора рационального варианта гидромеханического комплекса во многом конкретизируется заданием на проектирование, особенностями судна, условиями его эксплуатации. Она базируется на оценке взаимодействия элементов комплекса - корпуса, гребных винтов, передач, главных двигателей и, кроме того, характеризуется высокой размерностью, большим числом ограничений на переменные, а также многовариантностью решений вследствие использования эвристических процедур и экспертиз.

В процессе реализации поставленной задачи проектные проработки требуют, в частности, оперативной оценки по многим критериям, прежде всего по топливной экономичности главных двигателей на любых эксплуатационных режимах. Принимаемые при такой оценке проектные решения будут более обоснованными и объективными, если они базируются на результатах эксплуатации судов рассматриваемого типа и (или) на результатах специально проведённых исследований. Ценность проектных проработок возрастёт, если будет обеспечена возможность прогнозной оценки технического состояния элементов гидромеханического комплекса применительно к ожидаемым условиям эксплуатации.

Метод выбора оптимального варианта гидромеханического комплекса представляет собой операцию, исход которой зависит от реше-

ний оперирующей стороны - лица, принимающего решения (ЛПР), и некоторых неслучайных фиксированных факторов; эти факторы полностью известны ЛПР, характеризуют условия протекания операции и свойства участвующих в ней объектов. Поставленная задача сформулирована на основе математической теории принятия решений, в соответствии с которой стратегия действий ЛПР представляет собой п — мерный вектор

Х = (х,, х2.....хп) = (х,). (11)

с компонентами х^ являющимися контролируемыми (управляемыми)

факторами. Выбор факторов из множества, к которому, в частности, относится номенклатура возможных к установке на судно двигателей из информационной базы данных, находится в распоряжении ЛПР; каждый конкретный выбор значений контролируемых факторов представляет собой стратегию поиска. Контролируемые факторы связаны рядом ограничений, обусловленных конкретным физическим и экономическим су. ществом задачи; эти ограничения в общем виде представлены как условия

=ё1(С.„Х)>Ъ^ (12)

где gj - некоторая функция; Ь; - фиксированная скалярная величина;

С; - некоторая совокупность фиксированных величин.

Условия (12) определяют область допустимых значений стратегий X; ЛПР управляет операцией в пределах этой области, в частности, выбором типов и марок дизелей, способных обеспечить судну заданную скорость.

Эффективность действий ЛПР оценивается совокупностью локальных критериев в!, е2,..., ек , которые могут различаться своими коэффициентами относительных приоритетов X., Д2>...Дк. Локальными критериями еь е2,..., ек в задаче являются показатели дизелей, выбранных для использования в качестве главных на судне; показатели энергонасыщенности помещений ГЭУ; технико-экономические показатели вариантов гидромеханического комплекса при различных значениях параметров корпуса судна, гребных винтов, главных двигателей, передач с прогнозной оценкой их технического состояния и согласования характеристик применительно к ожидаемым условиям эксплуатации.

В решаемой задаче принято, что отображения локальных критериев задаются аналитически; предусмотрена также эвристическая процедура оценки топливной экономичности выбираемых дизелей при работе на эксплуатационных режимах в составе гидромеханического комплекса с помощью универсальных характеристик.

Средством достижения цели операции является должный выбор стратегии X из области е® допустимых значений. При этом очевидно, что одновременное достижение цели по всем локальным критериям за счет выбора единой стратегии X невозможно. Выход состоит в выработке ЛПР некоторого принципа компромисса при достижении локальных целей операции на определенных условиях. Перед ЛПР стоит задача нахождения оптимальной стратегии X, определяемой следующими условиями:

1) стратегия должна быть осуществима, иначе говоря, принадлежать множеству fix её допустимых значений;

2) стратегия должна быть наилучшей в смысле принятого в задаче принципа компромисса с учетом вектора А приоритетов локальных критериев.

Иными словами, оптимальное решение X должно удовлетворять соотношению

E=E(X) = opt [Е(Х),Л], Xefix

где символами X и Е обозначены оптимальное значение стратегии X и соответствующее ей оптимальное значение вектора эффективности Е, а символом opt обозначен оператор оптимизации, обусловливающий выбор наилучшего решения среди всех допустимых.

Основными особенностями сформулированной задачи являются наличие большого числа принимаемых во внимание разнородных факторов и критериев, альтернативных вариантов выбора, сложный для оценки характер рассматриваемых альтернатив. В данных условиях при получении и анализе качественной информации используются экспертные оценки, для повышения достоверности которых применяется метод расстановки приоритетов.

С учётом отмеченных особенностей для оперативного решения задачи используется персональный компьютер как средство обработки информации и наглядного представления её ЛПР. Этот подход реализован с помощью человеко-машинной процедуры принятия решений, представляющей собой циклический процесс взаимодействия ЛПР и компьютера. В процессе такого взаимодействия ЛПР выявляет и уточ-

няет свои предпочтения в соотношениях критериев, вводя на этой основе необходимую дополнительную информацию в компьютер; на основании введённой информации персональный компьютер вырабатывает всё более совершенные решения. После нахождения приемлемого варианта, когда ЛПР убеждается в нецелесообразности дальнейших попыток получить лучшее решение при данной модели, процесс заканчивается.

Для реализации метода разработано компьютерное программное обеспечение, в том числе информационная база элементов гидромеханического комплекса. Расчётная апробация метода, проведённая путём выбора варианта гидромеханического комплекса сухогрузного судна смешанного плавания, позволяет сделать вывод о целесообразности его применения при проектировании.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Работа посвящена развитию актуального направления в теории, проектировании и эксплуатации судовых энергетических установок - повышению эффективности использования топливно-энергетических ресурсов на судах внутреннего и смешанного плавания. Рассматриваемая проблема имеет многоаспектный характер, она затрагивает теоретические, технические и организационные вопросы проектирования и эксплуатации гидромеханических комплексов в специфических условиях рек и морей.

Представленные в диссертации результаты исследования получены на основе продолжительных натурных испытаний главных энергетических установок судов внутреннего и смешанного плавания, многочисленных стендовых испытаний дизельных двигателей, вычислительных экспериментов с применением математических моделей, изучения опыта проектирования указанных объектов, теоретического обобщения.

В качестве наиболее существенных результатов выполненной работы можно отметить следующие.

1. Разработана методология повышения эффективности эксплуатационных режимов гидромеханических комплексов на стадиях проектирования и эксплуатации судов внутреннего и смешанного плавания, а также в процессе доводки дизелей на основе рационального использования топливно-энергетических ресурсов.

2. Получена, обобщена и систематизирована актуальная и важная экспериментальная информация по фактическим режимным показателям главных двигателей сухогрузных и пассажирских судов внутреннего

плавания, судов смешанного плавания и работавших в сфере их применения морских судов. В результате статистической обработки данной информации установлена возможность аппроксимации вероятностных эмпирических распределений относительных значений режимных параметров главных двигателей теоретическими законами: эксплуатационной нагрузки — законом Релея, частоты вращения — законом Вейбулла.

Полученные, до сих пор отсутствующие в литературе, количественные оценки и закономерности распределения значений фактических режимных показателей главных двигателей представляют особый практический интерес, ибо позволяют объективно определять качество эксплуатации судовых гидромеханических комплексов и обеспечивать обоснованность проектных решений при создании энергетических установок.

3. Разработан и апробирован метод получения универсальных характеристик дизелей. Экспериментальная проверка метода показала, что он, в отличие от предложенных ранее, позволяет получать универсальные характеристики двигателей различной размерности с достаточной для практики точностью, за короткое время, при малой трудоёмкости проведения испытаний и обработки экспериментальной информации. Экспериментально подтверждённые в диссертации диапазоны режимных показателей дизелей, для которых получены универсальные характеристики, составляют по мощности от 110 до 2250 кВт, по частоте вращения от 350 до 1600 мин"1; относительная средняя квадратичная погрешность аппроксимации исходных данных полученными моделями не превысила величины ц' = 1,0%.

В соответствии с методом разработан алгоритм и создана специализированная компьютерная система, обеспечивающая получение универсальных характеристик дизелей: пользователю выводятся математические модели характеристик, а также необходимая информация в табличном и графическом виде, в различных координатах.

4. Исследованы возможности использования универсальных характеристик как инструментов оценки расхода топлива разных сортов на эксплуатационных режимах главных двигателей, с различным уровнем форсирования рабочего процесса газотурбинным наддувом, по мере выработки ими ресурса.

5. Впервые установлен характер изменения конфигурации изопа-раметрических линий удельного расхода топлива универсальной характеристики путём воздействия на организацию рабочего процесса дизеля регулируемых параметров - угла опережения впрыска топлива <рот, геометрической степени сжатия е0, пропускной способности соплового аппарата турбины нГт, угла перекрытия клапанов фпк.

6. Теоретически найдена и экспериментально подтверждена оптимальная комбинация значений выбранных настроечных параметров для двигателя 6ЧРПН 36/45 при заданных для него ограничениях по тепловой и механической напряжённости.

Получены результаты настройки по каждому из указанных регулируемых параметров, которые свидетельтвуют, что для рассмотренного двигателя наиболее сильное влияние на величину эффективного удельного расхода топлива оказывают угол опережения впрыска и пропускная способность соплового аппарата турбины; влияние геометрической степени сжатия и угла перекрытия клапанов значительно слабее.

Выполнена оценка содержания в выпускных газах вредных выбросов, прежде всего одного из главных токсичных компонентов - оксидов азота, которая показала, что в полученных вариантах настройки при уменьшении фот и увеличении е<, достигается снижение N0*, а при снижении цРт и увеличении <рпк содержание N0* практически не изменяется по сравнению с базовым вариантом.

7. Разработан и апробирован метод согласования характеристик элементов гидромеханического комплекса путём настройки главных двигателей, учитывающий комплексный подход в использовании методов математического моделирования рабочего процесса дизеля, математической оптимизации, математического моделирования динамического состояния комплекса корпус — винты - двигатели при движении судна, а также установленных в данной диссертационной работе закономерностей распределения значений режимных показателей главных двигателей рассматриваемых судов. Метод позволяет учитывать техническое состояние элементов гидромеханического комплекса, воздействие на судно внешних эксплуатационных факторов. Критериями оценки согласования приняты величины удельного расхода топлива на наиболее вероятном эксплуатационном режиме и математическое ожидание удельного расхода топлива по полю эксплуатационных режимов, определяемые с помощью математических моделей универсальных характеристик в вариантах базовом и полученном в результате настройки.

Метод и разработанное соответствующее ему компьютерное программное обеспечение применены для решения конкретной практической задачи - согласования характеристик элементов гидромеханического комплекса судна смешанного плавания "В.Шукшин" проекта 1588. Отмечена удовлетворительная сходимость результатов расчёта с фактическими данными эксплуатации судов рассматриваемого типа, а также с результатами подтверждающего стендового эксперимента на двигателе 6ЧРПН 36/45.

8. Разработан метод согласования характеристик элементов гидромеханического комплекса путём выбора эксплуатационных режимов главных двигателей. Решаемая задача оптимизации трактуется как задача нахождения программного управления режимами главных двигателей в двух вариантах: обеспечения минимального расхода топлива за рейс без контроля времени и при заданном времени перехода судна. Для критериальной оценки согласования используется целевой функционал - зависимость часового расхода топлива от скорости хода судна.

Метод позволяет учитывать техническое состояние элементов гидромеханического комплекса, воздействие на судно внешних эксплуатационных факторов. Расчётная апробация метода на примере согласования характеристик гидромеханического комплекса судна проекта 1588 в рейсе Рени - Одесса - Стамбул свидетельствует о значительных резервах, заложенных в назначении режимов работы главных двигателей по критерию расхода топлива.

В соответствии с разработанным методом создано компьютерное программное обеспечение, позволяющее решать задачу выбора оптимальных эксплуатационных режимов главных двигателей судовыми экипажами и работниками диспетчерского аппарата судоходных компаний.

9. Обоснован и разработан метод выбора варианта гидромеханического комплекса, оптимального по согласованию характеристик его элементов на наиболее вероятных эксплуатационных режимах, с возможностью прогнозной оценки технического состояния комплекса применительно к ожидаемым условиям эксплуатации. Задача выбора варианта гидромеханического комплекса рассматриваемого судна сформулирована как многокритериальная многофакторная детерминированная задача линейного программирования и решается на основе математической теории принятия решений. Предусмотрена возможность проведения эвристической процедуры оценки топливной экономичности рассматриваемых вариантов гидромеханического комплекса с помощью универсальных характеристик двигателей во всём диапазоне изменения их нагрузки.

Для реализации метода разработаны компьютерные информационная база элементов гидромеханического комплекса (двигателей, гребных винтов) и расчётно-информационная экспертная система. Расчётная апробация метода проведена на примере выбора варианта гидромеханического комплекса судна смешанного плавания.

Предлагаемый метод может использоваться в научно-исследовательских и проекгно-конструкгорских организациях в целях повышения

качества создаваемых энергетических установок, а также в учебном процессе кораблестроительных специальностей ВУЗов.

10. Определён, обоснован и на основе фактической информации апробирован показатель эксплуатационно-технического состояния гидромеханических комплексов транспортных судов внутреннего плавания. Экспериментально установлены адекватность и стабильность значений показателя на эксплуатационных режимах. Показатель может быть использован для нормирования энергоэкономических параметров в процессе эксплуатации судна и для прогнозирования технического состояния гидромеханического комплекса на стадии его проектирования.

11. Основные результаты исследования внедрены на АО "РУМО" (бывший дизельный завод "Двигатель революции"), в ОАО "Судоходная компания Волжское пароходство", в Украинском (бывшем Советском) Дунайском пароходстве; полученные результаты использованы также при корректировке Правил Речного Регистра. По результатам исследований, изложенных в диссертации, опубликовано учебное пособие "Выбор главных двигателей и типа передачи мощности гребным винтам"; эти результаты используются в учебном процессе преподавания дисциплин "Основы судовой энергетики и СЭУ" и "Судовые двигатели внутреннего сгорания", а также при курсовом и дипломном проектировании на кораблестроительном факультете Нижегородского государственного технического университета.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Ручкин Ю.Н. К вопросу о выборе и настройке главных судовых двигателей с учётом эксплуатационных факторов // Сб.тр. Горьк. ин-та инж. водн. трансп. (ГИИВТ).- 1977.- Вып.153.- С.25-32.

2. Ручкин Ю.Н. Выбор критерия оптимальной настройки главного двигателя с учётом условий эксплуатации // Сб.тр. Горьк. ин-та инж. водн. трансп. (ГИИВТ). -1977.- Вып.153.- С.33-38.

3. Чачхиани И.К., Ручкин Ю.Н. Выбор некоторых параметров к расчёту процесса сгорания среднеоборотного двигателя с высоким наддувом // Сб.тр. Горьк. ин-та инж. водн. трансп. (ГИИВТ).-1977,-Вып. 153,-С. 17-14.

4. Чачхиани И.К., Ручкин Ю.Н. К вопросу о метрологическом обеспечении испытаний судовых ДВС // Развитие и эксплуатация судовых дизелей и газовых двигателей. - Горький, 1976,- С.35.

5. Ручкин Ю.Н. Методика выбора главных двигателей при проектировании судов // БСИ "Судостроение" Вып.10,- Сер.2.- Горький, 1977,24 с. - Деп. в СИФ ЦНИИ "Румб", № 940.

6. Ручкин Ю.Н. Согласование характеристик главных двигателей и пропульсивных комплексов с учётом условий эксплуатации // Проблемы речного транспорта. - Горький, 1980.- С.142-144.

7. Ручкин Ю.Н. Выбор и настройка главных двигателей с учётом условий эксплуатации судна // Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и топ-лив.Тезисы докладов на Всесоюзн. науч.-техн. конф.- М.,1980,-

с:121-122.

8. Ручкин Ю.Н. Расчётно-экспериментальный метод построения универсальных характеристик дизелей // Информ. лист ЦНТИ № 564-81,-Горький, 1981.-4 с.

9. Ручкин Ю.Н. Исследование режимов работы главных двигателей . судов смешанного плавания в процессе эксплуатации // Проблемы

повышения эффективности элементов судовой энергетики,- Горький, 1982,- С. 124-132.

10. Ручкин Ю.Н. О критериях топливной экономичности главных судовых дизелей II Совершенствование газодинамических элементов судовых агрегатов и устройств: Межвуз. сб.- Горький, 1986.- С. 156159.

11. Чачхиани И.К., Ручкин Ю.Н., Конаков А.Г. Оценка параметров технического состояния главных судовых дизелей II Информ. лист ЦНТИ № 135-87.- Горький, 1987,- № 135.

12. Ручкин Ю.Н., Конаков А.Г. Критический анализ методов определения универсальных характеристик дизелей II Депониров. в СИФ ЦНИИ "Румб" 28.04.88 №ДР-2859/13. Реферат опубл. в БАУ "Судостроение", 1988,-Вып.6,-Серия 3,-с.25.

13. Ручкин Ю.Н. Метод рационального получения универсальных характеристик дизелей // Проблемы повышения эффективности судовых энергетических установок: Межвуз. сб. науч. тр.- Горький, 1988,-С.116-118.

14. Ручкин Ю.Н. Метод получения универсальных характеристик дизелей И Актуальные проблемы развития двигателей внутр. сгорания и дизельных установок: Тезисы докладов на Всесоюзной науч.-техн.. конф,-П., 1990.-С.92-93.

15. Звонцов В.А., Ручкин Ю.Н. Моделирование эксплуатационных режимов главных судовых дизелей с учётом их динамических характеристик // Разработка и оптимизация динамических характеристик двигателей мобильных сельскохозяйственных комплексов: Тезисы докладов Всесоюзн. науч.-технич. семин. - Казань, 1991.- С.53-54.

16. Конаков А.Г., Ручкин Ю.Н., Малышев A.M. Обобщённое уравнение движения судового пропульсивного комплекса // Мореходные качества речных судов и плавучих буровых установок: ВНТО им. А.Н.Крылова.-Н.Новгород, 1992,-Вып.2,-С.65-69.

17. Ручкин Ю.Н., Тумаринсон Е.М, Звонцов В.А. Оценка эксплуатационной топливной экономичности главных двигателей судов типа "Вол-го-Дон" И Повышение эффективности судовых энергетических установок: Межвуз. сб. науч. тр. - Н.Новгород, 1993,- С.31-36.

18. Ручкин Ю.Н., Конаков А.Г., Алексеев Д.В. Математическое моделирование эксплуатационных режимов пропульсивных комплексов судов смешанного плавания // Небесновские чтения: Тезисы докладов 2-й межрегион, науч.-техн. конф.- Одесса: ОГМУ, .1995.- С.54.

19. Ручкин Ю.Н., Звонцов В.А. Выбор главных двигателей и типа передачи мощности к гребным винтам: Учебн. пособие. - Н.Новгород: Изд. НГТУ,1996.- 67 с.

20. Ручкин Ю.Н. Оценка параметров рабочего процесса главных двигателей при имитационном моделировании пропульсивных комплексов // В кн.: Науч.-техн. конф. проф.-препод, состава, аспир. и студ. Тезисы докладов. Часть 2. Н.Новгород: НГАСУ, 1997,- С.94.

21. Ручкин Ю.Н. Влияние параметров рабочего процесса дизеля на конфигурацию универсальной характеристики // Повышение эффективности судовых энергетических установок: Межвуз. сб. науч. тр.-Н.Новгород, 1998,-С. 112-118.

22. Ручкин Ю.Н. Оптимизация настройки главного судового дизеля с оценкой результатов по универсальной характеристике II Повышение эффективности судовых энергетических установок: Межвуз. сб. науч. тр.- Н.Новгород, 1998.- С.79-86.

23. Ручкин Ю.Н., Алексеев Д.В. Эксплуатационные режимы пропульсивных комплексов транспортных судов внутреннего и смешанного плавания // Повышение эффективности судовых энергетических установок: Межвуз. сб. науч. тр.- Н.Новгород, 1998.- С.56-58.

24. Ручкин Ю.Н., Звонцов В.А., Суриков А.Ю. Компьютерная реализация процедуры выбора главных двигателей и типа передачи мощности к гребным винтам // Повышение эффективности судовых энергетических установок: Межвуз. сб. науч. тр.- Н.Новгород, 1998,- С.72-74.

25. Ручкин Ю.Н., Конаков А.Г. Использование универсальных характеристик при выборе главных двигателей // Судовые энергетические установки: науч.-техн. сб.-Одесса: ОГМА. -1998,- № 1.-С.11-14.

26. Ручкин Ю.Н. Метод согласования характеристик элементов пропульсивного комплекса по критерию топливной экономичности // Судо-

вые энергетические установки: науч. -техн. сб.- Одесса: ОГМА,-1998,-№ 1.-С.58-68.

В работах, опубликованных в соавторстве, диссертанту принадлежат: теоретическое обоснование, расчётные зависимости [3, 15, 16, 19, 25]; идея работы, алгоритмы расчётов, теоретические выкладки [4, 11, 12, 15, 17, 18, 19, 23, 24, 25]; экспериментальные исследования [11, 15, 17, 18, 19, 23, 25]; разработка методов расчётов [18, 23].

Подписано в печать 04.10.2000. Формат 60х84'/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ 553.

Типография НГТУ. 603600, Н. Новгород, ул. Минина, 24.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ

НА СУДАХ ВНУТРЕННЕГО И СМЕШАННОГО ПЛАВАНИЯ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Краткий обзор состояния проблемы

1.2. Постановка задач и исследования. 45,

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМОВ

ГЛАВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СУДОВ ВНУТРЕННЕГО И

СМЕШАННОГО ПЛАВАНИЯ.

2.1. Условия эксплуатации судов внутреннего и смешанного плавания.

2.2. Анализ условий эксплуатации главных судовых двигателей

2.3. Исследование эксплуатационных режимов главных двигателей сухогрузных судов внутреннего плавания

2.4. Исследование эксплуатационных режимов главных двигателей судов смешанного плавания.

2.5. Исследование эксплуатационных режимов главных двигателей пассажирских судов внутреннего плавания.

2.6. Оценка технического состояния гидромеханического комплекса в процессе эксплуатации.

2.7. Выводы.

ГЛАВА 3. МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ УНИВЕРСАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ.

3.1. Анализ существующих методов получения универсальных характеристик.

3.2. Разработка расчётно-экспериментального метода

•к получения универсальных характеристик дизелей

3.3. Реализация метода и некоторые варианты практического применения универсальных характеристик дизелей.

3.4. Выводы. 186,

Глава 4. НАСТРОЙКА ГЛАВНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПО КРИТЕРИЮ ^^^

ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ.

4.1. Предпосылки решения задачи настройки.

4.2. Исследование влияния параметров рабочего процесса дизеля на конфигурацию универсальной характеристики

4.3. Постановка задачи настройки.

4.4. Математическая формулировка и реализация задачи настройки.

4.5. Выводы.

Глава 5. МЕТОДЫ СОГЛАСОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕ- И 33 «j.

МЕНТОВ СУДОВОГО ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА.

5.1. Конкретизация задачи согласования и предпосылки её решения.

5.2. Постановка задачи согласования.

5.3. Метод согласования характеристик элементов гидромеханического комплекса путём настройки главных двигателей.

5.4. Метод согласования характеристик элементов гидромеханического комплекса путём выбора эксплуатационных режимов главных двигателей.

5.5. Выводы.

Глава 6. МЕТОД ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОГО ВАРИАНТА ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА.

6.1. Предпосылки решения задачи выбора оптимального варианта гидромеханического комплекса.

6.2. Основные методические принципы выбора.

6.3. Сравнительный анализ показателей выбранных двигателей как независимых агрегатов.

6.4. Технико-экономическое сравнение вариантов гидромеханического комплекса с рассматриваемыми главными двигателями, передачами и гребными винтами.

6.5. Технико-экономическое сравнение вариантов гидромеханического комплекса по расходам топлива и масла на единицу транспортной работы.

6.6. Математическая формулировка и реализация задачи выбора.

6.7. Выводы.

В современных экономических условиях конкурентоспособность водного транспорта России определяющим образом зависит от расходов на топливо, доля которых по имеющимся оценкам доходит до 60-70% от общих затрат на содержание флота. При существующих тенденциях роста энерговооружённости судов, сокращения средств на ремонтные работы, возрастания величины топливной составляющей в эксплуатационных расходах вопросы повышения технико-экономической эффективности эксплуатационных режимов судовых гидромеханических комплексов становятся особенно актуальными.

Проблема повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов имеет многоаспектный характер, она затрагивает теоретические, технические и организационные вопросы проектирования и эксплуатации судовых гидромеханических комплексов и их элементов.

Следует отметить, что высокие технико-экономические показатели каждого элемента ещё не гарантируют высокую эффективность гидромеханического комплекса в целом, особенно в неспецификационных условиях и на частичных режимах. Анализ результатов выполненных исследований свидетельствует о том, что систематизированные данные по эксплуатационным режимам главных двигателей имеются для морских транспорт-< ных, пассажирских, промысловых судов. Подобные материалы для судов внутреннего и смешанного плавания в литературе отсутствуют, что не позволяет оценивать качество эксплуатации главных энергетических установок и обеспечивать обоснованность проектных решений при их создании. Объективная оценка фактических режимных показателей главных двигателей указанных судов возможна лишь на основе результатов специально проведённого исследования.

Одним из принципиальных аспектов решения рассматриваемой проблемы является повышение достоверности оценки расхода топлива главных двигателей на любых эксплуатационных режимах. В качестве инструментов такой оценки целесообразно использование универсальных характеристик, которое до сих пор сдерживается трудностями их получения. В связи с этим существует необходимость в разработке удобного для практики метода, который позволял бы получать универсальные характеристики с допустимой для практики погрешностью, за короткое время, при малой трудоёмкости проведения испытаний.

Технико-экономическая эффективность эксплуатационных режимов гидромеханического комплекса в значительной степени обусловлена выбором параметров корпуса судна, движителя, передачи, главного двигателя и зависит от согласованности их характеристик. Поиск оптимального варианта такого согласования является одной из основных задач, решаемых в процессе эксплуатации судна и при его проектировании. ^ Решение проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на флоте неразрывно связано с повышением эффективности эксплуатации судовых двигателей как элементов гидромеханических комплексов и в этом смысле имеющиеся резервы нельзя считать полностью исчерпанными. Одним из таких резервов является настройка дизелей по критерию топливной экономичности применительно к конкретным условиям эксплуатации, в результате которой осуществляется целенаправленная корректировка конфигурации универсальных характеристик. Другой резерв состоит * в рациональном выборе режимов главных двигателей с целью обеспечения экономичного хода судна в заданном рейсе. В настоящее время при решении подобных задач возникают принципиальные затруднения, связанные с некорректной оценкой расхода топлива в результате изменения технического состояния главного двигателя, а также воздействия на судно внешних эксплуатационных факторов.

В связи с современной тенденцией создания оптимальных судов для конкретных линий одним из наиболее важных является решение вопроса выбора рационального варианта гидромеханического комплекса. Этот выбор непосредственно связан с решением проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов и актуален с точки зрения обеспечения рентабельности перевозок. Вместе с тем процедура выбора весьма трудоёмка, ибо обусловлена необходимостью проведения многовариантных проработок с оперативной оценкой наиболее приемлемых решений на стадиях проектирования комплекса, его модификации или модернизации. Принимаемые при такой оценке проектные решения будут обоснованными и объективными в том случае, если они базируются на результатах анализа данных по эксплуатации судов и на результатах специально проведённых исследований.

Перечисленные вопросы являются актуальными, представляют значительный практический интерес, но до настоящего времени не получили должного решения.

Диссертационная работа посвящена комплексному исследованию указанных вопросов. Её цель состоит в разработке методологии повышения эффективности эксплуатационных режимов судовых гидромеханических комплексов на основе рационального использования топливно-энергетических ресурсов, а также применения полученных результатов для решения практических задач в процессе доводки дизелей, проектирования и эксплуатации судов внутреннего и смешанного плавания.

Достижение цели исследования включает изучение современного состояния проблемы на основе анализа научных публикаций по рассматриваемой теме и предполагает решение следующих задач:

- получение, обобщение и систематизацию количественных оценок фактических режимных показателей главных двигателей сухогрузных судов внутреннего плавания по типовым участкам судового хода;

- определение закономерностей распределения значений эксплуатационной нагрузки и систематизацию режимных показателей главных двигателей судов смешанного плавания и работающих в сфере их применения морских судов по типам, районам плавания и сезонам;

- оценку, обобщение и систематизацию фактических значений режимных показателей нагрузки и частоты вращения главных двигателей речных пассажирских судов по отдельным участкам судового хода единой глубоководной системы европейской части России;

- определение, обоснование и апробирование показателя эксплуатационно-технического состояния гидромеханических комплексов транспортных судов внутреннего плавания;

- разработку рационального метода получения универсальных характеристик дизелей;

- исследование влияния регулируемых параметров рабочего процесса дизеля на форму и расположение изопараметрических линий удельного расхода топлива; i

- постановку и решение задачи настройки дизелей по критерию топливной экономичности в условиях эксплуатации;

- разработку методов согласования характеристик элементов судового гидромеханического комплекса по критерию топливной экономичности на эксплуатационных режимах;

- разработку метода выбора варианта судового гидромеханического комплекса, оптимального по согласованию характеристик его элементов на наиболее вероятных эксплуатационных режимах с прогнозной оценкой технического состояния применительно к ожидаемым условиям эксплуатации.

Объекты исследования - гидромеханические комплексы грузовых и пассажирских судов внутреннего плавания, судов смешанного плавания и морских судов в различных условиях за период от двух до семи лет эксплуатации; дизельные двигатели в стендовых и судовых условиях.

Методы исследования. Экспериментальная часть исследований основывается на результатах пассивных натурных экспериментов, проведённых в процессе плановой эксплуатации судов внутреннего и смешанного плавания, а также на результатах стендовых испытаний дизелей. При проведении натурных испытаний использовалась современная электронно-измерительная аппаратура. Теоретическая часть работы выполнена с применением методов математической статистики, теории планирования эксперимента, оптимизации, гидродинамики судна и гребных винтов, рабочих процессов судовых дизелей, численного анализа и математического моделирования на ЭВМ. Достоверность предложенных методов и разработанных алгоритмов обеспечена большим объёмом экспериментальных данных, применением апробированных методик и использованием точной аппаратуры при проведении стендовых и натурных экспериментов; она проверена путём сравнения расчётных параметров с результатами натурных испытаний.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Систематизированные результаты исследований эксплуатационных режимов главных двигателей грузовых и пассажирских судов внутреннего плавания, судов смешанного плавания и работающих в сфере их применения морских судов.

2. Метод получения универсальных характеристик дизелей по расходу топлива при ограниченном объёме эксперимента.

3. Метод согласования характеристик элементов судового гидромеханического комплекса путём настройки дизелей по критерию топливной экономичности в наиболее вероятных условиях эксплуатации.

4. Метод согласования характеристик элементов судового гидромеханического комплекса путём выбора эксплуатационных режимов главных двигателей по критерию топливной экономичности с учётом воздействия эксплуатационных факторов при движении судна.

5. Метод выбора варианта гидромеханического комплекса, оптимального по согласованию характеристик его элементов на наиболее вероятных эксплуатационных режимах с прогнозной оценкой расхода топлива при изменении технического состояния.

6. Практическая реализация предложенных методов с разработкой алгоритмов и компьютерного программного обеспечения, а также с внедрением результатов в процессы доводки дизелей, эксплуатацию судов внутреннего и смешанного плавания, учебный процесс.

11. Основные результаты исследования внедрены на АО "РУМО" (бывший дизельный завод "Двигатель революции"), в ОАО "Судоходная компания Волжское пароходство", в Украинском (бывшем Советском) Дунайском пароходстве; полученные результаты использованы также при корректировке Правил Речного Регистра. По результатам исследований, изложенных в диссертации, опубликовано учебное пособие "Выбор главных двигателей и типа передачи мощности гребным винтам"; эти результаты используются в учебном процессе преподавания дисциплин "Основы судовой энергетики и СЭУ" и "Судовые двигатели внутреннего сгорания", а также при курсовом и дипломном проектировании на кораблестроительном факультете Нижегородского государственного технического университета.

Основные положения диссертационного исследования опубликованы в 28 работах автора (см. п.п. 106, 147, 200, 249 - 270, 323 - 325 списка литературы).

По отдельным вопросам диссертации сделаны доклады:

1. На Всесоюзной научно-технической конференции "Развитие и эксплуатация судовых дизелей и газовых двигателей" (г. Горький, 1976 г.).

2. На Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы создания новой техники для освоения шельфа" (г.Горький, 1977 г.).

3. На Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и топлив" (г. Москва, 1980 г.).

4. На республиканском семинаре "Повышение эффективности судовых энергетических установок и их элементов" (г.Севастополь, 1980 г.).

5. На региональной научно-технической конференции "Проблемы речного транспорта" (г.Горький, 1980 г.).

6. На научно-технических конференциях НТО Судпрома и водного транспорта "Очередные задачи речного судостроения" (г. Горький, 1979 и 1983 гг.).

7. На Всесоюзной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития двигателей внутреннего сгорания и дизельных установок" (г. Ленинград, 1990 г.).

8. На Всесоюзном научно-техническом семинаре (г. Казань, 1991 г.).

9. На второй межрегиональной научно-технической конференции "Небесновские чтения" (г. Одесса, 1995 г.).

10. Несколько докладов было сделано на научных конференциях и семинарах профессорско-преподавательского состава ВУЗов Нижнего Новгорода и Одессы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Работа посвящена развитию актуального направления в теории, проектировании и эксплуатации судовых энергетических установок - повышению эффективности использования топливно-энергетических ресурсов на судах внутреннего и смешанного плавания. Рассматриваемая проблема имеет многоаспектный характер, она затрагивает теоретические, технические и организационные вопросы проектирования и эксплуатации гидромеханических комплексов в специфических условиях рек и морей.

Представленные в диссертации результаты исследования получены на основе продолжительных натурных испытаний главных энергетических установок судов внутреннего и смешанного плавания, многочисленных стендовых испытаний дизельных двигателей, вычислительных экспериментов с применением математических моделей, изучения опыта проектирования указанных объектов, теоретического обобщения.

В качестве наиболее существенных результатов выполненной работы можно отметить следующие.

1. Разработана методология повышения эффективности эксплуатационных режимов гидромеханических комплексов на стадиях проектирования и эксплуатации судов внутреннего и смешанного плавания, а также в процессе доводки дизелей на основе рационального использования топливно-энергетических ресурсов.

2. Получена, обобщена и систематизирована актуальная и важная ч экспериментальная информация по фактическим режимным показателям главных двигателей сухогрузных и пассажирских судов внутреннего плавания, судов смешанного плавания и работавших в сфере их применения морских судов. В результате статистической обработки данной информации установлена возможность аппроксимации вероятностных эмпирических распределений относительных значений режимных параметров главных двигателей теоретическими законами: эксплуатационной нагрузки -законом Релея, частоты вращения - законом Вейбулла.

Полученные, до сих пор отсутствующие в литературе, количественные оценки и закономерности распределения значений фактических режимных показателей главных двигателей представляют особый практический интерес, ибо позволяют объективно определять качество эксплуатации судовых гидромеханических комплексов и обеспечивать обоснованность проектных решений при создании энергетических установок.

3. Разработан и апробирован метод получения универсальных характеристик дизелей. Экспериментальная проверка метода показала, что он, в отличие от предложенных ранее, позволяет получать универсальные характеристики двигателей различной размерности с достаточной для практики точностью, за короткое время, при малой трудоёмкости проведения испытаний и обработки экспериментальной информации. Экспериментально подтверждённые в диссертации диапазоны режимных показателей дизелей, для которых получены универсальные характеристики, составляют по мощности от 110 до 2250 кВт, по частоте вращения от 350 до 1600 мин"1; относительная средняя квадратичная погрешность аппроксимации исходных данных полученными моделями не превысила величины ц* = 1,0%.

В соответствии с предложенным методом разработан алгоритм и создана специализированная компьютерная система, обеспечивающая получение универсальных характеристик дизелей: пользователю выводятся математические модели характеристик, а также необходимая информация в табличном и графическом виде, в различных координатах.

4. Исследованы возможности использования универсальных характеристик как инструментов оценки расхода топлива разных сортов на эксплуатационных режимах главных двигателей, с различным уровнем форсирования рабочего процесса газотурбинным наддувом, по мере выработки ими ресурса.

5. Впервые установлен характер изменения конфигурации изопара-метрических линий удельного расхода топлива универсальной характеристики путём воздействия на организацию рабочего процесса дизеля регулируемых параметров - угла опережения впрыска топлива срот, геометрической степени сжатия е0, пропускной способности соплового аппарата турбины nFT, угла перекрытия клапанов фпк.

6. Теоретически найдена и экспериментально подтверждена оптимальная комбинация значений выбранных настроечных параметров для двигателя 6ЧРПН 36/45 при заданных для него ограничениях по тепловой и механической напряжённости.

Получены результаты настройки по каждому из указанных регулируемых параметров, которые свидетельтвуют, что для рассмотренного двигателя наиболее сильное влияние на величину эффективного удельного расхода топлива оказывают угол опережения впрыска и пропускная способность соплового аппарата турбины; влияние геометрической степени сжатия и угла перекрытия клапанов значительно слабее.

Выполнена оценка содержания в выпускных газах вредных выбросов, прежде всего одного из главных токсичных компонентов - оксидов азота, которая показала, что в полученных вариантах настройки при уменьшении Фот и увеличении е0 достигается снижение NOx, а при снижении (iFT и увеличении фпк содержание NOx практически не изменяется по сравнению с базовым вариантом.

7. Разработан и апробирован метод согласования характеристик элементов гидромеханического комплекса путём настройки главных двигателей, учитывающий комплексный подход в использовании методов математического моделирования рабочего- процесса дизеля, математической оптимизации, математического моделирования динамического состояния комплекса корпус - винты - двигатели при движении судна, а также установленных в данной диссертационной работе закономерностей распределения значений режимных показателей главных двигателей рассматриваемых судов. Метод позволяет учитывать техническое состояние элементов гидромеханического комплекса, воздействие на судно внешних эксплуатационных факторов. Критериями оценки согласования приняты величины удельного расхода топлива на наиболее вероятном эксплуатационно режиме и математическое ожидание удельного расхода топлива по полю эксплуатационных режимов, определяемые с помощью математических моделей универсальных характеристик в вариантах базовом и полученном в результате настройки.

Метод и разработанное соответствующее ему компьютерное программное обеспечение применены для решения конкретной практической задачи - согласования характеристик элементов гидромеханического комплекса судна смешанного плавания "В.Шукшин" проекта 1588. Отмечена удовлетворительная сходимость результатов расчёта с фактическими данными эксплуатации судов рассматриваемого типа, а также с результатами подтверждающего стендового эксперимента на двигателе 6ЧРПН 36/45.

8. Разработан метод согласования характеристик элементов гидромеханического комплекса путём выбора эксплуатационных режимов главных двигателей. Решаемая задача оптимизации трактуется как задача нахождения программного управления режимами главных двигателей в двух вариантах: обеспечения минимального расхода топлива за рейс без контроля времени и при заданном времени перехода судна. Для критериальной оценки согласования используется целевой функционал - зависимость часового расхода топлива от скорости хода судна.

Метод позволяет учитывать техническое состояние элементов гидромеханического комплекса, воздействие на судно внешних эксплуатационных факторов. Расчётная апробация метода на примере согласования характеристик гидромеханического комплекса судна проекта 1588 в рейсе Рени - Одесса - Стамбул свидетельствует о значительных резервах, заложенных в назначении режимов работы главных двигателей по критерию расхода топлива.

В соответствии с разработанным методом создано компьютерное программное обеспечение, позволяющее решать задачу выбора оптимальных эксплуатационных режимов главных двигателей судовыми экипажами и работниками диспетчерского аппарата судоходных компаний.

9. Обоснован и разработан метод выбора варианта гидромеханического комплекса, оптимального по согласованию характеристик его элементов на наиболее вероятных эксплуатационных режимах, с возможностью прогнозной оценки технического состояния комплекса применительно к ожидаемым условиям эксплуатации. Задача выбора варианта гидромеханического комплекса рассматриваемого судна сформулирована как многокритериальная многофакторная детерминированная задача линейного программирования и решается на основе математической теории принятия решений. Предусмотрена возможность проведения эвристической процедуры оценки топливной экономичности рассматриваемых вариантов гидромеханического комплекса с помощью универсальных характеристик двигателей во всём диапазоне изменения их нагрузки.

Для реализации метода разработаны компьютерные информационная база элементов гидромеханического комплекса (двигателей, гребных винтов) и расчётно-информационная экспертная система. Расчётная апробация метода проведена на примере выбора варианта гидромеханического комплекса судна смешанного плавания.

Предлагаемый метод может использоваться в научно-исследовательских и проектно-конструкторских организациях в целях повышения качества создаваемых энергетических установок, а также в учебном процессе кораблестроительных специальностей ВУЗов.

10. Определён, обоснован и на основе фактической информации апробирован показатель эксплуатационно-технического состояния гидромеханических комплексов транспортных судов внутреннего плавания. Экспериментально установлены адекватность и стабильность значений данного показателя на эксплуатационных режимах. Показатель может быть использован для нормирования энергоэкономических параметров в процессе эксплуатации судна и для прогнозирования технического состояния гидромеханического комплекса на стадии его проектирования.

1. Абрамов Г.А.и др. Развитие дизельных установок на речном флоте / Г.А.Абрамов, С.Г.Эренбург, А.И.Недошивин //Двигателестроение.-1994.- С.27-28.

2. Аболешкин С.Е. Оценка технического состояния судового комплекса с винтом регулируемого шага. Автореф. дис. . канд. техн. наук.- Одесса, ОГМА, 1992.- 23 с.

3. Адлер Ю.П. и др. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П.Адлер, Е.В.Маркова, Ю.В. Грановский.-2-е изд., перераб. и доп.- М.: Наука. 1976.- 278 с.

4. Аладышкин В.Я. Исследование и выбор оптимальных параметров газораспределения судового четырёхтактного дизеля с импульсным газотурбинным наддувом: Автореф. дис. . канд. техн. наук.-Горький, 1971.-21 с.

5. Аладышкин В.Я. Исследование и выбор оптимальных фаз газораспределения четырёхтактных дизелей с газотурбинным наддувом // Тр.ГИИВТ.- 1970.- Вып. 105.- Ч.2.- С.84 -103.

6. Аладышкин В.Я. Применение ЭВМ для выбора фаз газораспределения четырёхтактного дизеля // Тр. ГИИВТ.- 1970.- Вып. 105.-Ч.2.- С.104 -113.

7. Алексеев Г.Д., Карпович В.А. Энергетические установки промысловых судов,- Л.: Судостроение, 1972,- 296 с.

8. Алферьев М.Я. Теория корабля: Судовые движители. Л.- М.: ОНТИ НКТП СССР, 1935.- 386 с. •

9. Альтшуль А.Д. Сопротивление трения пластин с технической шероховатостью при турбулентном пограничном слое // Изв. АН СССР. Отд. техн. наук.- 1956.- № 3.- С.25-28.

10. Алякринский К.А., Шестернёва Н.М. Оптимизация рабочего цикла дизеля на эксплуатационных режимах методом случайного поиска экстремума II Двигателестроение.-1981.- № 5.- С.5-6.

11. Амусин М.Д. и др. Справочник эксплуатационника речного транспорта / М.Д.Амусин, В.С.Бубякин, К.А.Г аринов и др.; Под ред.С.М.Пьяных.- М.: Транспорт, 1995.- 360 с.

12. Андриевский М.И. Организация проектирования судов внутреннего плавания.- Л.: Судостроение, 1977,- 264 с.

13. Андриенко В.Г.и др. Анализ методов оценки технического уровня главных судовых дизелей/ В. Г. Андриенко, В.А. Петухов, И.А.Шегалов II Судостроение,-1981.- № 3.- С.26-28.

14. Андрусенко П.И.и др. Характеристики автомобильных и тракторных двигателей / П.И.Андрусенко, О.Н.Бурцев, Ю.Ф.Гутаревич.-Киев: Вища школа, 1978.- 128 с.

15. Аоки М. Введение в методы оптимизации.- М.: Наука, 1977.- 344 с,

16. Апухтин П.А., Войткунский Я.И. Сопротивление воды движению судов.- М.-Л.: Машгиз. Ленинградское отд-ние, 1953,- 356 с.

17. Астанский Ю.Л., Аладышкин В.Я. Методика расчётно-эксперимен-тальной оптимизации процесса топливоподачи нового дизеля // Изв. ВУЗов. Машиностроение.-1984,- № 3.- С.76-80.

18. Браславский М.И. Анализ влияния износа деталей цилиндро-поршневой группы на параметры дизеля в зависимости от режима его работы //Тр. ЛИВТ.-1968.- № 107.- С.25-33.

19. Брук М.А., Рихтер А.А. Режимы работы судовых дизелей.- Л.: Судпромгиз, 1963.- 482 с.

20. Брук М.А., Самсонов Е.П. О подходе к оценке ресурса дизелей // Двигателестроение.-1981.- № 7.- С.56-58.

21. Бавыкин Г.В. Некоторые результаты изучения износа обшивки корпусов судов смешанного плавания типа "Балтийский"// Тр. ЛИВТ,-1976.-Вып. 152.- С.61-67.

22. Базара М., Шетти К. Нелинейное программирование. Теория и алгоритмы: Пер. с англ.- М.: Мир, 1982,- 583 с.

23. Балакин В.И.и др. О топливной экономичности дизелей на эксплуатационных режимах/ В.И.Балакин, В.А.Кудрявцев, А.А.Берман // Кн.: Экспериментальные и теоретические иссле-дования по созданию новых дизелей и агрегатов.- Л., 1980.1. С. 43-52.

24. Басин A.M., Анфимов В.Н. Гидродинамика судна.- Л.: Речной транспорт, 1961.- 684 с.

25. Бешелев С.Д., Гурвич Ф.Г. Экспертные оценки.- М.: Наука, 1973.159 с.

26. Блинов Э.К. и др. Определение эксплуатационной мощности главного судового дизеля по критерию теплонапряжённости / Э.К.Блинов, ГАЛушников, В.А.Петухов // Судостроение.- 1991,-№12.- С.12-14.

27. Богачёв В.Г. Исследование газообмена в четырёхтактном тепловозном дизеле с наддувом и продувкой по универсальной характеристике.-Дис. . канд.техн.наук.-Харьков, 1972.-184 с.30