автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Повышение эффективности технической эксплуатации судового среднеоборотного двигателя путем совершенствования системы воздухоснабжения

На правах рукописи

Петренко Михаил Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДОВОГО СРЕДНЕОБОРОТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМЫ ВОЗДУХОСНАБЖЕНИЯ

Специальность: 05.08.05 - Судовые энергетические

установки и их элементы (главные и вспомогательные)

ь

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I (

Новороссийск - 2006

Работа выполнена на кафедре "Судовые тепловые двигатели" Морской государственной академии имени адмирала Ф.Ф.Ушакова (г.Новороссийск).

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ

кандидат технических наук, доцент

Николаев Николай Иванович

Мышинский Эрнст Леонидович Пальчик Казимир Беркович

Ведущая организация:

ОАО " Новороссийское морское пароходство " (г.Новороссийск)

Защита состоится " 26 " мая 2006 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.223.007.01 Морской государственной академии имени адмирала Ф.Ф.Ушакова.

Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенных печатью организации, направлять Ученому секретарю диссертационного совета Д.223.007.01 по адресу: 353918 г. Новороссийск, пр. Ленина 93, МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова (г. Новороссийск).

Автореферат диссертации разослан апреля 2006 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор !■ БачищеА.В.

9099

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время в состав энергетических установок большинства судов промыслового и морского флота в качестве главных и вспомогательных двигателей применяются дизели с наддувом. Для организации наддува двигателя служит система воздухоснабжения, в которую входят следующие элементы: турбонаддувочный агрегат (ТНА), его фундамент, воздушный трубопровод, компенсаторы, воздухоохладитель. Система воздухоснабжения двигателя является органической частью двигателя. Ее эффективность и надежность во многом определяет технико-экономические показатели двигателя. В свою очередь на характеристики системы воздухоснабжения двигателя влияют: состояние двигателя и особенности его рабочих процессов; режимы эксплуатации двигателя, его расположение в машинном отделении; конструктивное оформление (расположение) газовыпускной системы и воздушного трубопровода; конструкции фундамента и собственно самого ТНА и множество других факторов.

Анализ результатов эксплуатации систем воздухоснабжения судовых двигателей показывает, что на долю ее элементов приходится значительная часть отказов. Наши выводы подтверждают исследования других авторов. Так в докладе на конференции С1МАС 2001 сообщается о незапланированных простоях в работе судовых двигателей из - за большого количества отказов ТНА. Устранение этих отказов является составной частью оптимизации эксплутаци-онных расходов. Отмечается, что много претензий относится к конструктивному исполнению элементов системы воздухоснабжения двигателя.

В условиях, коща отказы ТНА, например, главных двигателей серии судов привели к значительным затратам судовладельца (на ремонт ТНА, потери ходового времени судна и т.д.) задачи решаемые в диссертации актуальны.

Диссертационная работа посвящена решению важной научно - технической задачи, связанной с повышением эффективности технической эксплуатации судового среднеоборотного двигателя путем совершенствования системы воздухоснабжения.

Объект исследования - система воздухоснабжения главных среднеоборотных двигателей, работающих через редуктор на один гребной вал и ВРШ.

Предмет исследования — совершенствование системы воздухоснабжения главных среднеоборотных двигателей.

Цель работы заключается в повышении эффективности технической эксплуатации судовых среднеоборотных двигателей 6РС 2 - 6/2Ь400Е серии танкеров типа "И. Эренбург" путем совершенствования системы воздухоснабжения на основе комплекса экспериментальных и расчетных исследований и разработке мероприятий по повышению эффективности технической эксплуатации системы воздухоснабжения и,как следствие, главных двигателей.

Достижение поставленной цели осуществляется путем решения следующих задач:

— проведением анализа проблем технической эксплуатации турбонадду-

вочных агрегатов судовых дв

— разработкой методик исследований элементов системы воздухоснабже-ния на двигателе в судовых условиях;

— анализом отказов и неисправностей, исследованием теплотехнических и виброакустических характеристик турбонадцувочного агрегата УТЯ 304 - 11 главного двигателя (ГД) 6РС 2 - 6/2Ь400Е при эксплуатации на танкерах типа "И. Эренбург";

— расчетным исследованием влияния конструктивных параметров элементов системы воздухоснабжения главных двигателей танкеров типа " И.Эренбург " на виброакустические характеристики;

— повышением эффективности технической эксплуатации ГД 6РС 2- 6/21. 400Е танкеров типа "И.Эренбург " путем совершенствования системы воздухоснабжения.

База исследования. Исследования по теме диссертации проводились на кафедре "Судовые тепловые двигатели" Морской государственной академии имени адмирала Ф.Ф.Ушакова и на судах ОАО " Новороссийское морское пароходство".

Наиболее существенные результаты, полученные лично соискателем:

— качественная и количественная информация по отказам и неисправностям ТНА УТЯ 304-11, ТК 35В-08М ГД 6РС2-6/2Г400Е ("З.Е.М.Т. Р1еЬ1кк:") всей серии танкеров типа " И. Эренбург";

— результаты расчетных и экспериментальных исследований ТНА УТЯ 304-11, ТК 35В-08М ГД 6РС2-6/2Ь400Е ("8.Е.М.Т. Р1еЫюк") танкеров типа " И. Эренбург";

— предложения по модернизации системы воздухоснабжения ГД и их практическая реализация;

— подтверждение необходимости и эффективности включения в технологический процесс приемки судов работ по определению виброакустических характеристик элементов системы воздухоснабжения судовых двигателей головного судна.

Научная новизна работы заключается:

— в разработке предложений по совершенствованию методик теплотехнических и вибрационных исследований;

— в полученных результатах: по анализу отказов и неисправностей ТНА УТЯ 304-11 ГД всей серии танкеров типа " И.Эренбург " за практически весь период эксплуатации; при когерентной обработке вибрационных измерений и определению динамических характеристик элементов системы воздухоснабжения; при расчетном исследовании влияния конструктивных параметров элементов системы воздухоснабжения ГД на виброакустические характеристики; при натурных исследованиях по повышению эффективности эксплуатации двигателя 6РС2-6/2Ь 400Е танкеров типа " И. Эренбург" путем улучшения характеристик элементов системы воздухоснабжения.

Практическая значимость работы заключается в разработке методик и технических рекомендаций, позволяющих повышать эффективность эксплуатации судовых двигателей путем совершенствования системы воздухо-снабжения.

Результаты работы внедрены в ОАО " Новороссийское морское пароходство " в виде модернизации системы воздухоснажения главных двигателей танкеров типа " И. Эренбург", что подтверждено соответствующими документами.

Достоверность научных результатов обеспечивается:

использованием комплекса апробированных и признанных методов и методик исследования (теплотехнических, вибрационных, анализа статистических данных по отказам и неисправностям, расчетного на основе метода конечных элементов); применением приборов и систем измерений прошедших калибровку или метрологическую аттестацию в соответствии с ГОСТ 8.326 - 89; проведением натурных испытаний; совпадением расчетных исследований с результатами экспериментальных исследований улучшенного варианта системы возду-хоснабжения двигателя.

Основные положения выносимые на защиту:

— особенности методик экспериментальных исследований параметров элементов системы воздухоснабжения на двигателе в судовых условиях;

— результаты анализа отказов и неисправностей, теплотехнических и вибрационных исследований ТНА "УТЯ 304-11 ГД;

— результаты расчетного исследования влияния конструктивных параметров элементов системы воздухоснабжения ГД на виброакустические характеристики;

— результаты внедрения основных предложений по повышению эффективности технической эксплуатации ГД за счет совершенствования системы воздухоснабжения.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на:

— международном симпозиуме 'Шум и вибрация на транспорте", г. Санкт-Петербург, 2000, 2002 гг.;

— международном конгрессе МЕХТРИБОТРАНС, г. Ростов-на-Дону, 2003 г.;

— международной научно-технической конференции " Надежность и ремонт машин " г. Орел, 2004 г.;

— научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Морской государственной академии имени адмирала Ф.Ф.Ушакова, г. Новороссийск, 2000-2005 гг.;

— научно-технических советах ОАО "Новороссийское морское пароходство."

Публикации. Представленная совокупность научных результатов и

технических решений опубликована автором в 12 печатных работах: 4 в материалах всероссийских и региональных научных конференциях (г. Новороссийск); 2 статьи в экспресс-информации, серия " Техническая эксплуатация

флота и судоремонт "(г. Москва); 4 статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ "Известия ВУЗов" (Северо-Кавказский регион) и "Транспортное дело России" (г. Москва), а также в 2 работах опубликованных в материалах международных конференций МЕХТРИБОТРАНС (г. Ростов-на-Дону) и "Надежность и ремонт машин" (г. Орел).

Личный вклад в научные разработки, защищаемые в диссертации, определяющий, т.к. основная часть научных результатов получена лично автором, и лишь часть - в соавторстве.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников (51 наименование) и приложений. Основное содержание изложено на 148 страницах и включает 89 рисунков и 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении дается обоснование актуальности темы диссертационной работы, определены цели и задачи исследования работы, изложены научные и практические результаты.

Первая глава посвящена анализу проблем технической эксплуатации, исследованиям теплотехнических и виброакустических характеристик ТНА судовых двигателей. Обзор опубликованных работ по технической эксплуатации показывает, что надежность работы ТНА судовых двигателей не высокая. Устранение отказов ТНА является составной частью оптимизации эксплутаци-онных расходов.

Разработкой теории и расчетами турбин и компрессоров в составе ТНА, решением проблем создания ТНА, изучением вопросов совместной работы ТНА и дизелей, совершенствованием технической эксплуатации ТНА занимались и внесли значительный вклад Б.П. Банков, В.Т. Бордуков, А. Бюхи, Р. Бе-нон, В.А.Ваншейдт, Н.М.Глаголев, Р.С.Дейч, Н.Н.Иванченко, П.В.Иванов, C.B. Камкин, О.Г.Красовский, М.Г. Круптов, Е.Майер, П.С.Моргулис, А.Д. Межерицкий, Э.Л Мышинский, A.C. Орлик, Н.В. Петровский, А.Э. Симпсон, Л.А. Самсонов, A.C. Эпштейн, С. Ханзен и др. Указанные выше ученые в основном рассматривали задачи связанные с проектированием ТНА или согласованием теплотехнических характеристик ТНА и двигателя, не затрагивая проблем определяющих надежность эксплуатации ТНА и как, следствие, в целом двигателя.

Испытаниями, расчетами и проектированием ТНА транспортных двигателей занимается множество организаций и ВУЗов: ЦНИДИ, Ml ТУ им. Н.Э. Баумана, ЦНИИ им. академика А.Н.Крылова, ЦНИИМФ, ГМА им. адмирала С.О.Макарова, МГА им. адмирала Ф.Ф. Ушакова, СКБТ, СПбГТУ, СПбГМТУ и т.д. в нашей стране и за рубежом "ASEA BROWN BOWERT'(ABB, Швейцария), MAN B&W Diesel (Германия-Дания), CATEPILLAR (США) и т.д.

Надежность эксплуатации ТНА судовых дизелей связана, в том числе и с их вибрационным состоянием, так как повышенные вибрационные нагрузки в элементах агрегата нередко являются причинами серьезных аварий. Износ и

повреждение отдельных элементов ТНА из-за вибрации приводят к значительному увеличению стоимости и сроков ремонта, неоправданной загрузке обслуживающего персонала и ремонтных баз, снижению после ремонта надежности механизма из-за внесения случайных изменений в сопряжения деталей и узлов, уменьшению межремонтного периода эксплуатации. Используя измерения параметров вибрации можно уменьшить отмеченные выше недостатки; контроль вибрации ТНА может быть использован : в качестве индикатора, фиксирующего начало возникновения каких- либо повреждений или отклонения от режима нормальной работы, а также для определения резонансных явлений и оценки состояния.

Анализ результатов исследований и работ, связанных с созданием и эксплуатацией ТНА показывает, что проблема повышения эффективности технической эксплуатации судовых двигателей за счет улучшения технико-экономических характеристик системы воздухоснабжения является актуальной. Решение такого рода проблемы технической эксплуатации судовых двигателей является важной задачей стоящей перед судовладельцами, т.к. при существующем положении увеличиваются по сравнению с планируемыми затраты связанные: с закупкой сменно - запасных частей; потерей ходового времени судна в связи с тем, что ГД не развивал необходимую мощность, а судно скорость хода; ремонтом ТНА специалистами сервисной станции.

Во второй главе рассмотрены энергетическая установка танкеров типа " И.Эренбург ", система воздухоснабжения ГД и ТНА, приборное обеспечение и методики (теплотехнических и вибрационных) исследований ТНА.

Тип судна: одновинтовой (с ВРШ) дизельный танкер с кормовым расположением машинного отделения. Группа однотипных судов состоит из 4 единиц: "И. Эренбург", "Л. Утесов ", "В. Высоцкий", "Хирург Вишневский". Класс автоматизации энергетической установки - А1. Энергетическая установка танкеров данного типа содержит два ГД типа 6РС 2 - 6/2Ь400Е ("З.Е.М.Т. Р1е1з1юк") мощностью 2870 кВт каждый, работающие через редуктор типа А8Ь2х 150я ("Я.Е.КК.") на один гребной вал и ВРШ.

Двигатели типа 6РС 2 - 6/2Ь400Е (нереверсивные, четырехтактные); тип ТНА УТЯ 304-11 ¡температура газов перед ТНА тах 550°С, за ТНА тах 410°С; удельный расход топлива при максимальной длительной мощности 186 г/кВт-ч. От редуктора осуществляется отбор мощности на два валогенера-тора по 1700 кУА каждый, которые обеспечивают потребности судна в электроэнергии на ходу. Это обстоятельство требует поддержания постоянной частоты вращения ГД в любых условиях плавания, что и осуществляется с помощью ВРШ. При этом наблюдается поочередное (циклическое) "перекачивание" мощности с одного двигателя на другой, и чем больше волна, тем больше амплитуда колебания мощности. В такт изменениям мощности изменяется частота вращения ТНА. ТНА УТЯ 304 - 11 установлены жестко на платформе с торца двигателя в корму (в районе первого цилиндра) и соединены с двигателем по воздуху и газу трубопроводами с компенсаторами (рис.1). Ось вращения ротора ТНА перпендикулярна продольной оси двигателя.

Рис.1 Схема расположения ТНА УТО 304-И, фундамента и воздушного трубопровода

ГД танкера типа "И. Эренбург": а) вид со стороны компрессора ТНА; б) вид со стороны кормового конца ГД, 1- компрессор] 2- воздушный трубопровод; 3- турбина; 4-подкрепляющая балка (стойка); 5- фундамент ТНА

Анализ режимов эксплуатации СЭУ танкеров типа " И. Эренбург" показал, что: стояночное время танкера составляет около 30 %; переменные режимы — около 10%; длительные ходовые режимы — около 60%. Суммарная мощность ГД на длительном ходовом режиме составляет от 3200 до 4000 кВт.

Для измерения теплотехнических параметров и двигателя в процессе исследований использовали штатные и дополнительные приборы и устройства. Например, определялись такие параметры, характеризующие эффективность работы двигателя, как количество воздуха, идущее на продувку, давление газа перед турбиной и т.п. С помощью аэродинамического зонда (комбинированный приемник с протоком) определялась скорость воздуха в выходном сечении улитки компрессора. Полученное путем измерений и вычислений распределение скорости потока осреднялось, а затем вычислялся расход воздуха: С=А.„С-/Мкг/с).

^ ср ср

Измерение уровня вибрации в различных точках системы воздухоснаб-жения ГД по трем направлениям осей координат (ТНА, фундамент ТНА, ГД, воздушный трубопровод) производилось прямым методом. Измерительный тракт состоял из приборов и устройств фирмы " Брюль и Къер ": акселерометров (типа 4369, 4371), усилителя (типа 2626, 2635),1/3 - октавнопо анализатора (типа 2034, 42131),измерительного магнитофона (типа 7006 с блоками ZM0060); для соединительных линий использовались малошумные коаксиальные кабели (типа AG 0010, AG 005). Измерения производились на различных стационарных режимах работы ГД (холостом ходу, штатном эксплутаци-онном режиме); с целью выявления резонансных характеристик исследуемой системы воздухоснабжения были выполнены вибрационные измерения при наборе оборотов ГД и их сбросе с номинального значения до полной остановки двигателей. Обработка и анализ результатов измерения вибрации производился в лабораторных условиях с помощью измерительного магнитофона, анализатора спектра и ПВЭМ.

Идентификация спектрального состава вибрации ТНА и его фундамента производилась с использованием когерентного анализа, который позволяет определить вклад источников в вибрацию. Учитывая, что ТНА через фундамент жестко крепится к корпусу ГД„ вибрация ТНА и его фундамента определяются в основном двумя источниками: собственно работой ТНА и наведенной вибрацией, обусловленной работой ГД. При синхронной обработке сигналов с датчиков на ГД и на ТНА (и его фундаменте) определялись частотные зависимости когерентных и некогерентных спектров. Динамические характеристики объектов исследования (частотные зависимости комплексных соотношений между величиной силового воздействия и величиной возбуждаемых колебаний) определялись rta базе двухканального анализатора для измерения механического сопротивления (податливости) объекта при импульсном возбуждении. Возбуждение осуществлялось измерительным молотком, оснащенным для регистрации ударного импульса датчиком силы или вибропреобразователем (акселерометром).

Третья глава посвящена анализу отказов и неисправностей, исследованию теплотехнических и виброакустических характеристик ТНА VTR 304-11 двигателя 6PC2-6/2L400E танкеров типа "И. Эренбург". Практика эксплуатации энергетических установок судов типа "И. Эренбург" показала низкую надежность ТНА VTR 304 - 11. Источниками информации об отказах и неисправностях ТНА служили: формуляры технического состояния; акты ревизий и ремонта ТНА; ремонтные ведомости, сметы на ремонт и отчётная калькуляция; вахтенные машинные журналы; месячные отчёты и рейсовые донесения. Суммарная календарная продолжительность обследованного периода эксплуатации для каждого судна составляла промежуток времени длительностью от постройки судов (1987-89 гп) и до 2002 года. При этом процент охвата общей календарной продолжительности эксплуатации всех ТНА примерно 96%. Чтобы картина отказов была более полной и точной, статистика собиралась по каждой детали в отдельности. На рис.2 показана гистограмма отказов ТНА. Выпол-

ненный анализ отказов и неисправностей ТНА УТИ 304-11 главных двигателей свидетельствует о их низкой надежности. Для исследования причин низкой надежности было принято решение провести комплексные исследования, которые позволили бы определить причины вызывающие отказы и неисправности ТНА УТЯ 304-11 двигателей 6 РС 2-6 / 2Ь 400Е.Наиболее перспективными с точки зрения достижения поставленных целей являются теплотехнические и виброакустические исследования ТНА в условиях эксплуатации.

Iй

I i

I «

23,45

20.57

12 М

9.09

7.65

5.26

3.35

1.44 1.44 1.44

10/48

4 5 в 7 в в 10 11 12 13 14 15 16 17

Рис. 2. Гистограмма отказов ТНА УТИ 304-11 судов типа " И. Эренбург": подшипники - 1 (со стороны турбины), 2 (со стороны компрессора); ротор -3, уплотнения -4 (со стороны турбины), 5 (со стороны компрессора); улитка турбины -6; масляные насосы - 7 (со стороны компрессора), 8 (со стороны турбины); сопловый аппарат - 9; лабиринт на валу - 10; улитка компрессора -11, воздушный фильтр - 12; рабочие лопатки - 13; колесо компрессора - 14; корпус- 15; лопаточный диффузор - 16; диск турбины - 17

Испытания ТНА УТИ 304 - 11 ГД выполнялись на различных режимах работы двигателя. Все измерительные приборы были поверены, контролируемые параметры измерялись по нескольку раз. Результаты исследования ТНА на двигателе представляются в виде зависимости параметров ТНА от мощности двигателя, например, рис.3 (танкер "Л. Утесов").

Анализ полученных результатов показывает, что при увеличении мощности двигателя (в исследованном диапазоне нагрузок) все параметры монотонно растут; температуры газов до и за турбиной ТНА стабилизируются и остаются примерно неизменными при мощности двигателя от 1700 до 2200 кВт. Количественно зависимости полученные на ГД №1 совпадают с соответствующими зависимостями, полученными на ГД №2. Это свидетельствует о том, что с точки зрения технического состояния двигатели одинаковы. <

*

1 1

*

X*- >

лг

0,5 1 1,5 2

Моцность двигателя Не Ю-3, кВт

г,5

а. 8

ш ®

Л 1

З-з I с!

Рис.3. Изменение параметров ТНА УТЯ 304-11 ГД в зависимости от мощности двигателя

Расход воздуха на двигатель вычислялся по уравнению сплошности как описано было выше. В процессе измерения скорости потока на выходе из компрессора ТНА выявилась значительная неравномерность потока за компрессором по сечению и нестабильность во времени. Параметры меняются каждые 10-20 секунд. Колебания неравномерны по величине изменения параметров и во времени протекания измерения. Неравномерность воздушного потока по сечению встречается и у других двигателей, а такая сильная нестабильность во времени - особенность исследуемой энергетической установки. Обусловлено это тем, что, во-первых, два двигателя, работающие на общий редуктор и жестко связанные по частоте вращения, непрерывно перераспределяют нагрузку между собой, в результате чего их мощность постоянно колеблется относительно средней заданной величины. Во-вторых, нагрузка валогенератора меняется из-за включения-выключения потребителей. В-третьих, из условий, задаваемых валогенератором, автоматически поддерживается постоянной частота вращения главных двигателей путем изменения шага винта, что при малейшем волнении приводит к ощутимому колебанию мощности главных двигателей. С изменением же мощности двигателей меняются все параметры работы ТНА.

Результаты проведенных исследований для определения когерентных и некогерентных спектров вибрации измеренные в точке расположенной на корпусе подшипника ТНА приведены на рис.4.

ш

Л

а. ю

200 400

Частота Р, Гц

800

Рис. 4. Спектры вибрации в точке измерения на корпусе подшипника.

- - автоспектр;

- - когерентный спектр;

. - некогерентный спектр

Идентификация спектрального состава вибрации ТНА, двигателя наглядно демонстрирует значимость источников вибрации. Дискретные составляющие в спектрах вибрации обусловлены работой ГД, а сплошная часть спектра формируется за счет рабочих процессов в ТНА. Вибрация, обусловленная работой ГД, определяет суммарный уровень не только фундамента ТНА, но и его корпуса. Только в высокочастотной части спектра — выше 400 Гц вибрация корпуса ТНА обусловлена его работой: некогерентный спектр отделяется от когерентного и уходит вверх.

Известно, что причиной повышенной вибрации механизмов и конструкций может быть не только значительная вибрационная интенсивность рабочих процессов механизмов, но и наличие резонансных явлений, обусловленных повышенной податливостью конструкций силовым воздействиям. При совпадении частот возмущающих сил механизмов с собственными частотами конструкций возникают резонансные режимы колебаний оборудования - наиболее неблагоприятные с точки зрения виброактивности. Исследование динамических характеристик позволяет принять решение о внесении конструктивных изменений в исследуемый объект с целью отстройки ряда собственных частот от частот возмущающих сил и т.д. В районе подшипниковых узлов следует отметить повышенное низкочастотное воздействие в диапазоне частот до 50 Гц. Это воздействие, обусловленное работой ГД, может приводить к преждевременному износу подшипниковых узлов. В связи с этим исследовались

динамические характеристики в низкочастотном диапазоне. На рис. 5 приведены частотные зависимости модулей передаточных податливостей до подшипникового узла ТНА в точке на корпусе подшипника при искусственном возбуждении трубы подачи продувочного воздуха на воздухоохладитель ГД, ее подвески и фундамента ТНА. Видно, что на частоте25-27 Гц наблюдается первый резонанс конструкции. При плотном спектре возмущающих сил ГД это приводит к повышенной вибрации подшипниковых узлов.

Для уменьшения низкочастотного воздействия предложено ужесточить конструкцию крепления трубопровода подачи продувочного воздуха на воз-дуоохладитель ГД с целью повышения первой резонансной частоты системы до частоты порядка 70 Гц.

-30 ^-----

-50 -

' ----

ум -Р1У-1У

.90 -М-----_

' -Р6У-1У

-100 ----1-г. ги

О 10 20 30 40 50

Рис. 5. Частотные зависимости модулей передаточных податливостей

Для анализа вибрационных характеристик ТНА и двигателя в качестве параметров режима работы установки регистрировались: числа оборотов коленчатого вала ГД и ротора ТНА ГД. Частоты характеризующие работу ГД и ТНА связаны с числом оборотов коленчатого вала ГД и ротора ТНА соотношениями: /0 = ^|_=4.33Л,; /„=2./0; /рп=6-/0, где /0 -

частота колебаний, обусловленная работой каждого отдельного цилиндра двигателя (частота вращения распределительного вала ГД); /вк - частота вращения коленчатого вала ГД; /вт - частота вращения вала ТНА ГД; /рп - частота

колебаний, обусловленная рабочим процессом всех цилиндров ГД, соответствует числу импульсов в секунду на всасывании и выхлопе дизеля; Пд - число

оборотов в минуту коленчатого вала ГД; пТ - число оборотов в минуту вала ротора ТНА.

Ь.ДБ

Л

, у

1 Р1 -Р5 У- 1У V - 1У

V -Р6У- 1У I

Акселерометры устанавливались в различных точках системы воздухо-снабжения двигателя: на подшипниковых узлах и фундаменте ТНА, подкрепляющей стойке, воздушном трубопроводе; измерения производились по нескольким направлениям осей координат. Вибрационные измерения системы воздухоснабжения двигателей показали, что уровни виброскорости на ТНА и его фундаменте достигают значений 10-12 мм/с в диапазоне частот 20 - 50 Гц, превышающих нормы, установленные Регистром судоходства РФ.

Наиболее интенсивные низкочастотные вибрации ТНА регистрируются на подшипнике во всех трех направлениях и в осевом направлении для агрегата в целом. Особенность этих колебаний состоит в том, что их частоты значительно ниже частоты вращения ротора ТНА совпадают с гармониками рабочего процесса дизеля /0, а уровни существенно зависят от режима работы двигателя и ТНА. Для выявления причины повышенных низкочастотных колебаний установки в условиях отсутствия данных о пульсациях давления в трубопроводе представляется целесообразным выявить особенности вибрации ТНА на лопаточной частоте и оценить спектр колебаний двигателя. Для оценки вибрации на лопаточной частоте используются характеристики узкополосных колебаний в 1/3-октавной полосе "частот, содержащей составляющую Ю/вт. Из спектров огибающих этих колебаний видно, что вибрации ТНА на лопаточной частоте модулированы колебаниями с частотой /0. При этом, на рабочем режиме, в отличие от холостого хода, в спектре огибающей в большей степени представлены нечетные гармоники /0. В спектре виброскорости двигателя также наблюдаются нечетные гармоники /0 с высоким уровнем вибрации, что обусловлено особенностями работы двигателя. Из этого вытекает, что высокий уровень низкочастотных колебаний ТНА обусловлен вибрациями воздушного трубопровода от работающего двигателя и действия пульсаций давления на нагнетании. Интенсивные колебания воздушного трубопровода передаются корпусу подшипниковых узлов ТНА и создают нештатные условия работы подшипников На момент проведения измерений, как показывают изменения мгновенной амплитуды колебаний на частоте /вт, ротор ТНА со стороны рабочего колеса компрессора (в т. 1) в процессе вращения хаотически колеблется, а в отдельные моменты наблюдается сбой фазы, что связано с касанием частей ротора о статор ТНА. В целом, уровни виброускорений ТНА на подшипнике (в т. 1) определяются детерминированными составляющими на частотах к ■ fem.

Таким образом, на основании полученной информации приходим к выводу, что причиной повышенных колебаний исследуемого ТНА являются интенсивные низкочастотные пульсации в комплексе "ТНА - фундамент ТНА -воздушный трубопровод " и ресивер ГД.

В четвертой главе рассматривается расчетное исследование влияния конструктивных параметров элементов системы воздухоснабжения ГД на их виброакустические характеристики. Систему «ТНА - фундамент ТНА — воздушный трубопровод» рассматриваем как пространственную линейную колебательную систему с распределенными параметрами. Для расчетов ее вынужденных колебаний использован метод конечных элементов. При моделировании учтено, что колебания могут распространятся как по конструктивным элементам системы (балочным и пластинчатым элементам фундамента, стенкам трубопроводов, виброизоляторам и так далее), так и по рабочей среде трубопроводов. Кроме того, пульсации давления в рабочей среде могут привести к возникновению вибрации в трубопроводах. Поэтому, в общем случае в воздушном трубопроводе системы учтено взаимодействие колебаний в стенках и рабочей среде. В рассматриваемой задаче внешние колебательные силы, действующие на конструкцию, складываются из сил вибрационного (механического) происхождения и сил от звукового давления в среде Q^ :

QJ'QS+Qsf-

Матрицы акустических жёсткостей и обобщенных масс среды определяются по соответствующим матрицам отдельных объемных элементов. Объединяя уравнения колебаний конструкций, получим систему разрешающих уравнений связанных упруго-акустических колебаний системы «ТНА - фундамент ТНА - воздушный трубопровод»:

TCs+C^îu) _ -0

! О CF+Cm(a)

где б - нулевая матрица.

Порядок системы уравнений равен числу учитываемых степеней свободы в конструкции и среде.

Исследования выполнялись в два этапа:

- отработка расчетной модели для исходного варианта системы воздухоснабжения двигателя (с наклоном оси выходной улитки компрессора 15° и подкреплением трубопровода наклонной балкой, рис.1) по полученным в главе 3 экспериментальным данным;

- расчеты вариантов трубопровода с наклоном оси выходной улитки компрессора 30°, 45°, 60° и 90° с необходимыми мероприятиями по ужесточению системы "ТНА - фундамент ТНА - воздушный трубопровод".

Для того, чтобы сравнить виброактивность различных вариантов исполнения системы воздухоснабжения при разных углах наклона оси улитки компрессора ТНА, была построена зависимость уровней вибрации ТНА в направлениях осей Z, У и X на частоте 27 Гц от угла а наклона оси улитки, рис. 6. Частота 27 Гц - это частота, на которой происходит интенсивное возбуждение трубо-

Л1г . яг, 6

— И) в'

Ш-РН

провода. Из рисунка видно, что в целом с увеличением угла наклона оси улитки вибрация ТНА уменьшается. Отдельные нарушения гладкости линий на рис. 6 связаны с конкретными особенностями расположения и конструкции трубопровода: некоторое возрастание Х-й составляющей вибрации ТНА при а=45° относительно варианта с а=30° обусловлено тем, что при а=45° положение участка трубопровода, параллельного торцу фундамента ближе к горизонтальному, и этот участок интенсивнее возбуждается Ъ-й составляющей возмущающей силы; а возрастание У-й составляющей вибрации ТНА при а=60° связано с наличием в этом варианте участка трубопровода с уменьшенным Ду=225 мм. Преобладание У-й составляющей вибрации ТНА в целом связано с тем, что именно в направлении У система "ТНА - фундамент ТНА - воздушный трубопровод" при возбуждении ТНА имеет минимальное входное механическое сопротивление: такая система при малой относительной длине легче поддается кручению, чем изгибу.

Ь, дБ

70

60

50

40

30

20

Ю

15 30 45 60 75 90 <Р- Ф3"

Рис. 6. Зависимость вибрации ТНА от наклона оси улитки компрессора

В пятой главе приводятся результаты экспериментальных исследований системы воздухоснабжения главных двигателей 6РС2-6/2Ь400Е танкеров типа " И. Эренбург" с учетом выполненных конструктивных изменений на основании изложенных ранее исследований и предложений.

В начале было реализовано предложение по улучшению эффективности ГД т/х " Хирург Вишневский " путем замены штатного ТНА на ТНА типа ТК 35В-08М (СКБТ, г.Пенза) - ТНА 4-ш поколения с высоким КПД и надежностью для эксплуатации на дизелях со среднеэффекгивным давлением до 25 бар. Опорные подшипники ТК35В- 08М - цилиндрические бронзовые втулки с верхним подводом масла под давлением от системы смазки двигателя. Внутренние поверхности втулок подшипника выполнены многоклиновыми, что позволяет подавить автоколебания ротора на масляном слое во всей облас-

ти частот вращения. Кроме этого, демпферный масляный слой на наружной поверхности втулки значительно уменьшает реакции в подшипниках. Таким образом, при выборе ТНА для замены штатного учитывалось, что подшипники скольжения имеют большую несущую способность, менее чувствительны к повышенным вибрационным нагрузкам; за счет этих факторов можно повысить эффективность работы системы воздухоснабжения ГД. В процессе замены ТНА на двигателе были выполнены работы по согласованию характеристик агрегата наддува ТК35В 08М с характеристиками двигателя. Для этого было необходимо при проведении экспериментальных исследований так рассчитать и подобрать геометрические характеристики проточной части турбины и компрессора ТНА, чтобы основные параметры работы (давление и количество надувочного воздуха, температура газов, расход топлива на двигатель и т.д.) соответствовали спецификационным значениям этих параметров.

На рис.7, 8 приведены зависимости давления наддува и температуры газов от мощности ГД с различными площадями соплового аппарата турбины и лопаточного диффузора компрессора: 1-ГД2, \ПИ-304; 2-ГД1, ТК35, Р<а=191см2, Рд=111,6 см2 (исходный); 3-ГД1, ТК35, Рса =185см2, Рд=111,6 см2, 4-ГД1, ТК35, Рса=170см2, Рд=111,6 см2' 5- ГД1, ТК35, Ря =155см2, Рд=111,6 см2,6-ГД1, ТК35, Рса = 160см2, Рд= 106,6 см2 (совпадает с 1).

Рис.7. Зависимости давления наддува от мощности ГД т/х "Хирург Вишневский" для УТЯ304 и ТК35

.Л-----1-------1--------,200

0,3 1 1.5 г

Мощность ГД N,•10"', кВт

Рис 8. Зависимости температур до и после турбины от мощности ГД т/х "Хирург Вишневский" для УТЯ304 и ТК35 Таким образом, мероприятия по согласованию характеристик ТК 35В-08М и двигателя 6РС 2-6 /2Ь400Е позволили достичь спецификационных параметров (кривая 6 рис.7, 8). Надежность эксплуатации двигателя с ТК35В-08М стала выше. ТНА ТК 35В-08М на ГД 6РС 2-6 /2Ь400Е проработал более 5 лет (30106 часов) и его технике - экономические показатели соответствовали нормируемым для этого двигателя.

Для практической реализации разработанных в главе 4 рекомендаций, проверки адекватности расчетных исследований виброакустических характеристик результатам эксперимента на т/х "В. Высоцкий" и " И. Эренбург " в период ремонтов выполнены работы по модернизации системы воздухоснабже-ния ГД. Конструктивные изменения системы воздухоснабжения ГД были направлены на отстройку резонансных частот системы от частот возмущающих сил. В соответствии с рекомендациями, полученными в главе 4, а также учитывая расположение элементов СЭУ на судне (ГД, редуктор, фундамент ТНА, муфта и т.п.) и затраты на конструктивные изменения системы воздухоснабжения было принято решение повернуть улитку компрессора ТНА на 60 и изменить крепление и трассировку воздушного трубопровода.

Для экспериментальной проверки технических решений были выполнены вибрационные испытания ТНА по методике изложенной выше на различных режимах эксплуатации ГД. На рис.9 показано распределение уровней виброскорости в характерных точках ТНА УТЯ 304-11 ГД в исходном варианте (до конструктивных изменений) и после выполненных конструктивных изменений системы воздухоснабжения. Из рисунка видно, что, уровень виброскорости существенно снизился и удовлетворяет требованиям нормативных документов.

нм/с

Рис. 9. Распределение уровней вибрационной скорости ТНА ГД в осевом и горизонтальном направлениях:

- ------до модернизации;......- после модернизации

1 - ТНА; 2 - фундамент; 3 - ГД; 4 - воздушный трубопровод; 5 - стойка

Выполненное исследование подтверждает необходимость включения в технологический процесс приемки судов проведение работ по определению виброакустических характеристик двигателя и ТНА головного судна. Это позволит в ряде случаев выявить существующие конструктивные недостатки в компоновке двигателя и ТНА и существенно сократить эксплутационные расходы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненного анализа условий эксплуатации, экспериментальных и расчетных исследований THA VTR 304 - 11 главных двигателей 6 PC 2-6 / 2 L 400Е танкеров типа " И.Эренбург", а также работ по улучшению характеристик системы воздухоснабжения двигателей сделаны выводы и получены следующие практические результаты:

1. ТНА имеют низкую надежность; наибольшее число отказов связано с подшипниковыми узлами ротора. Это косвенно свидетельствует о том, что имеют место факторы, вызывающие повышенный уровень вибрации на фундаменте ТНА. Измеренные уровни вибрации в различных точках конструкции системы воздухоснабжения составляют 10-12 мм/с, что превышает нормы, установленные Регистром судоходства РФ и ISO.

2. Теплотехнические характеристики ТНА соответствуют параметрам при нормальной исправной эксплуатации двигателя в широком диапазоне изменения режимов работы. Измерения скорости воздуха за улиткой компрессора ТНА выявили значительную неравномерность потока по сечению и нестабильность во времени.

3. Когерентная обработка вибрационных измерений выявила, что на низких частотах до 200 Гц основной вклад в вибрацию ТНА вносит двигатель, а на высоких частотах (свыше 400 Гц) - собственно сам работающий ТНА. Исследование динамических характеристик системы в низкочастотном диапазоне позволили определить резонансные частоты и область частот повышенной возбудимости конструкции системы воздухоснабжения, которая лежит в диапазоне 24-50 Гц. Для повышения надежности эксплуатации ТНА VTR 304-11 двигателя 6PC2-6/2L 400Е необходимо:

а) при сохранении существующей конструкции системы воздухоснабжения применить другой тип ТНА, например, с подшипниками скольжения, который был бы более надёжен в эксплуатации, но не уступал бы по теплотехническим параметрам;

б) внести изменения в конструкцию элементов системы воздухоснабжения для отстройки комплекса от резонансных частот и снижения уровня вибрации на фундаменте ТНА и собственно самом ТНА.

4. На основании выполненных расчетов определено влияние различных способов ужесточения систем " ТНА - фундамент - воздушный трубопровод" на виброакустические характеристики и разработаны мероприятия по ужесточению воздушного трубопровода и фундамента ТНА, приводящие к значительному снижению виброакустических характеристик.

5. Расчетное исследование влияния угла поворота оси улитки компрессора на виброакустические характеристики ТНА показало, что оптимальным вариантом является вариант с углом поворота оси выходной улитки компрессора 90°, что обусловлено минимальной длиной трубопровода и дополнительным подкреплением фундамента.

6. Замена штатного ТНА УТЯ 304-11 главного двигателя 6РС2-6/21ЖЮЕ т/х "Хирург Вишневский" на турбонаддувочный агрегат ТК 35В-08М и согласование его характеристик с характеристиками двигателя оказались успешными: ТНА ТК 35В-08М на двигателе 6РС2-6/2Ь400Е проработал более 5 лет и его технико-экономические показатели соответствовали нормируемым для этого двигателя.

7. Изменение конструкции системы воздухоснабжения ГД 6РС2-6/2Ь400Е привело к снижению практически во всех точках измерений уровней виброскорости ТНА УТЮ04-11 в среднем в 4 раза (-12дБ). Измерения уровня вибрации турбонаддувочных агрегатов ГД правого и левого борта проводимые в течении 40 суток не выявили изменений вибрации в контролируемых точках. Дальнейшая эксплуатация ТНА УТЯ 304-11 на двигателе 6РС2-6/2Ь400Е после модернизации системы воздухоснабжения в 2001 -02 гг. на танкерах типа "И. Эренбург" свидетельствует о повышении эффективности технической эксплуатации ТНА и двигателей.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Петренко М.В. Анализ неисправностей и отказов газотурбонагнетателей VTR 304 - 11 судов типа " И.Эренбург". Новая Россия - транспорт и земная ноосфера. НОО - 2000: Материалы всероссийской научной конференции,- Новороссийск, 2000.- С. 225-226

2. Николаев Н.И., Савченко В.А., Петренко М.В.

Методика определения расхода воздуха на двигатели при испытаниях турбонагнетателей в условиях судна. Новая Россия - транспорт и земная ноосфера. НОО - 2000: Материалы всероссийской научной конференции- Новороссийск, 2000 - С. 223-224.

3. Николаев Н.И., Савченко В.А., Петренко М.В.

Анализ отказов и повреждений ГТН 304-11 главных двигателей всех судов серии " И. Эренбург ".- М.: Морской транспорт, экспресс - информация серия "Техническая эксплуатация флота и судоремонт", выпуск 11-12.-2001.-С.1-10.

4. Савченко В.А., Николаев Н.И., Петренко М.В.

Обобщение эксплутационных отказов газотурбонагнетателей VTR 304 -11 главных двигателей все судов серии " И.Эренбург". Проблемы технической и коммерческой эксплуатации и модернизации транспорта. Материалы второй региональной научно-технической конференции - Новороссийск: НГМА, 2001- С. 22-23.

5. Николаев Н.И., Петренко М.В., Якимов В.А. Виброакустический мониторинг судового оборудования в условиях эксплуатации. Проблемы технической и коммерческой эксплуатации и модернизации транспорта. Материалы второй региональной научно-технической конференции. Новороссийск: НГМА, 2001.-С. 106-108.

6. Николаев Н.И., Савченко В.А., Петренко М.В.

Замена штатного газотурбонагнетателя VTR 304 - 11 главного двигателя теплохода "Хирург Вишневский" на газотурбонагнетатель ТК 35В-08М-М.: Морской транспорт, экспресс-информация серия "Техническая эксплуатация флота и судоремонт", выпуск 1-2 - 2002 - С.1-7.

7. Николаев Н.И., Петренко М.В. Анализ условий эксплуатации газотурбонагнетателей типа ТК23Н судовых двигателей 8 ЧН 25/34-3 //Транспортное дело России. Спецвыпуск.—М.,2003 — С. 47-48.

8. Николаев Н.И., Петренко М.В., Якимов В.А.

Анализ вибрационных характеристик системы воздухоснабжения среднеоборотного двигателя 6РС 2-6 / 2L-400E т/х "В.Высоцкий" // Транспортное дело России. Спецвыпуск—М.,2003.— С. 37-40.

9. Николаев Н.И., Савченко В.А., Петренко М.В., Якимов В.А. Результаты исследования динамических характеристик системы воздухоснабжения среднеоборотного дизеля при искусственном возбуждении// Транспортное дело России. Спецвыпуск.-М., 2003 - С.27-28.

10. Николаев Н.И., Савченко В.А., Петренко М.В., Якимов В.А. Основные положения методики когерентной обработки вибрационных измерений системы воздухоснабжения двигателей внутреннего сгорания. Известия ВУЗов Северо-Кавказского Региона. Техн. науки. 2003.Спецвыпуск - С.85-87.

11. Николаев Н.И., Савченко В.А., Петренко М.В., Якимов В.А. Повышение эксплутационной надежности газотурбонагнетателей VTR 304 - 11 судового среднеоборотного двигателя //Сборник докладов международного конгресса МЕХТРИБОТРАНС, Том 2.- Ростов-на-Дону: Издательство РГПУС, 2003 - С. 178-182.

12. Николаев Н.И., Савченко В.А., Кучменко В.В., Петренко М.В.

Анализ отказов и повышение надежности современных турбонаддувоч-ных агрегатов: Сборник материалов международной научно-технической конференции " Надежность и ремонт машин".Том 3. Организационные и технические методы повышения надежности машин - Орел: Издательство Орел ГАУ, 2004-С. 138- 141.

АННОТАЦИЯ

Петренко М.В. "Повышение эффективности технической эксплуатации судового среднеоборотного двигателя путем совершенствования системы воздухоснабжения" .

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.08.05- "Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)". Морская государственная академия им. адмирала Ф.Ф.Ушакова.

Защищаемая диссертация оформлена в виде рукописи, по ее теме автором опубликовано 12 научных работ. Основными научными результатами диссертационной работы являются: разработка предложений по совершенствованию методик теплотехнических и вибрационных исследований и их обработке; результаты: по анализу отказов и неисправностей ТНА УТЯ 304-11 ГД всей серии танкеров типа " И.Эренбург " за практически весь период эксплуатации; когерентной обработки вибрационных измерений и определению динамических характеристик элементов системы воздухоснабжения; расчетного исследования влияния конструктивных параметров элементов системы воздухоснабжения ГД на виброакустические характеристики; натурных исследований по повышению эффективности эксплуатации двигателя 6РС2-6/211 400Е танкеров типа " И. Эренбург" путем улучшения характеристик элементов системы воздухоснабжения.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

система воздухоснабжения, двигатель, турбонаддувочный агрегат, вибрация, характеристики, параметры, эффективность.

SUMMARY

M.V. Petrenko " Technical exploitation rise efficient of the marine medium revolution engines based on air supply system improvement".

The dissertation is for candidate of technical science degree competition on profession 05.08.05 " Vessels propulsion plants and its elements (main and auxiliary)". Novorossiysk Marine State Academy. Novorossiysk, 2006.

The dissertation designed as manuscript; 12(twelve) scientific articles supported the dissertation topic were published by author.

/ровА_

о л

-9одд

Main scientific results are follows: elaboration and treatment some offers by the improvement thermal technical and vibration methods researches; results : tanker's series type "I.Erenburg" turbochargers analyses reports of damages and failures for all running period; coherent treatment vibration changes and air supply dynamic characteristic determination; ME air supply system elements structure parameters estimation research influence to the vibro sonic characteristics; research for rise efficient technical exploitation of the engine 6PC2-6/ 2L 400E tanker type "I.Erenburg" by the air supply system elements characteristics improvement.

KEYWORDS

air supply system, engine, tuibocharger, vibration, characteristics, parameters, efficient.

Формат 60x84 1/16. Тираж 100. Заказ 969. Отпечатано в редакционно-издательском отделе

ФГОУ ВПО «Морская государственная академии им. адм. Ф.Ф.Ушакова» 353918, г. Новороссийск, пр. Ленина, 93

Ф Список сокращений.

Введение.

Глава 1. Анализ проблем технической эксплуатации турбонаддувочных агрегатов судовых двигателей. Постановка задач исследования.

Проблемы технической эксплуатации турбонаддувочных агрегатов судовых двигателей

1.2. Современное состояние исследований тепло технических и виброакустических характеристик турбонаддувочных агрегатов судовых двигателей.

1.3. Цель и постановка задач исследования.

Глава 2. Объекты и методики исследований элементов системы воздухоснабжения на двигателе в судовых условиях.

2.1. Главные двигатели и энергетическая установка танкеров типа "И. Эренбург".

2.2. Система воздухоснабжения главных двигателей танкеров типа "И. Эренбург".

2.3. Методика определения теплотехнических ^ параметров турбонаддувочных агрегатов и двигателя.

2.4. Методика исследования вибрационных характеристик турбонаддувочного агрегата и судового двигателя в условиях эксплуатации.

2.5. Методика когерентной обработки вибрационных измерений и определения динамических характеристик системы воздухоснабжения двигателя.

Глава 3. Анализ отказов и неисправностей , исследование теплотехнических и виброакустических характе {0 ристик турбонаддувочного агрегата УТК 304 двигателя 6РС 2 - 6/2Ь400Е при эксплуатации на танкерах типа "И. Эренбург".

3.1 .Анализ отказов и неисправностей турбонаддувоч ных агрегатов УТЮ04-11 главных двигателей всей серии танкеров типа " И.Эренбург".

3.2. Исследование теплотехнических характеристик турбонаддувочного агрегата УТИ. 304 - 11.

3.3. Результаты когерентной обработки вибрацион ных измерений и определения динамических характеристик элементов системы воздухоснаб жения.

4 3.4. Исследование вибрационных характеристик элементов системы воздухоснабжения.

3.5. Выводы по главе.

Глава 4. Расчетное исследование влияния конструктив ных параметров элементов системы воздухо снабжения главных двигателей судов типа " И.Эренбург" на виброакустические характе ристики.

4.1. Уравнения вынужденных колебаний системы " турбонаддувочный агрегат - фундамент турбонад дувочного агрегата - воздушный трубопровод".

4.2. Расчет влияния конструктивных параметров системы «турбонаддувочный агрегат - фундамент турбонаддувочного агрегата - воздушный трубо ф провод» на виброакустические характеристики этой системы.

4.3.Сравнение уровней вибрации вариантов систем воздухоснабжения на частоте пульсации давления в системе воздухоснабжения и выводы по главе.

Глава 5. Повышение эффективности технической эксплуатации двигателя 6РС 2- 6/2L 400Е танкеров типа "И.Эренбург " путем совершенствования системы воздухоснабжения.

5.1. Улучшение эксплуатационной надежности двигателя путем замены штатного турбонадцувочного агрегата т/х " Хирург Вишневский " турбонаддувочным агрегатом типа ТК 35 В-08М.

5.2. Анализ эффективности замены штатного турбонадцувочного агрегата на ТК 35В-08М при работе его совместно с двигателем

6 PC2-6/2L400E.

5.3. Повышение эффективности эксплуатации двигателя за счет конструктивных изменений системы воздухоснабжения.

5.4. Выводы по главе:.

В настоящее время в состав энергетических установок большинства судов промыслового и морского флота в качестве главных и вспомогательных двигателей применяются дизели с наддувом. Для организации наддува двигателя служит система воздухоснабжения в которую входят следующие элементы: турбонаддувочный агрегат, его фундамент, воздушный трубопровод, компенсаторы, воздухоохладитель. Система воздухоснабжения двигателя является органической частью двигателя. Ее эффективность и надежность во многом определяет технико-экономические показатели двигателя. В свою очередь на характеристики системы воздухоснабжения двигателя влияют: состояние двигателя и особенности его рабочих процессов; режимы эксплуатации двигателя; его расположение в машинном отделении; конструктивное оформление (расположение) газовыпускной системы и воздушного трубопровода; конструкции фундамента и собственно самого ТНА и множества других факторов.

Анализ результатов эксплуатации систем воздухоснабжения судовых двигателей показывает , что на долю ее элементов приходится значительная часть отказов . Наши выводы подтверждают исследования других авторов.

Так в докладе на конференции С1МАС 2001 сообщается о незапланированных простоях в работе судовых двигателей из - за большого количества отказов ТНА. Устранение этих отказов является составной частью оптимизации эксплутационных расходов . Отмечается , что много претензий относится к конструктивному исполнению элементов системы воздухоснабжения двигателя.

В условиях , когда отказы ТНА, например, главных двигателей серии судов привели к значительным затратам судовладельца ( на ремонт ТНА, потери ходового времени судна и т.д.) задачи решаемые в диссертации актуальны.

Диссертационная работа включает расчетное и экспериментальное исследование вопросов совершенствования технической эксплуатации среднеоборотных главных двигателей за счет улучшения характеристик системы воздухоснабжения. На танкерах типа " И.Эренбург" ,в натурных условиях, проведена серия теплотехнических и вибрационных экспериментальных исследований системы воздухоснабжения главных двигателей.

Исследования проводились автором на судах ОАО " Новороссийское морское пароходство Результаты работы внедрены в виде модернизации системы воздухоснабжения главных двигателей серии танкеров типа "И.Эренбург" ОАО " Новороссийское морское пароходство ". Примененные в работе подход к проблеме и методики могут быть применены и для других типов судовых технических средств. Как показал опыт эксплуатации энергетических установок (два среднеоборотных главных двигателя 6 РС 2-6/2 Ь 400 Е (6ЧН 40/46 - 1 фирмы Пилстик , Югославия) теплоходов типа " И.Эренбург", наименее надежным элементом установки является ТНА УТЯ 304 - 11 главных двигателей. Выполненные исследования показали : отказы происходят на всех теплоходах этой серии

Вибрационные измерения системы воздухоснабжения двигателей, выполненные в условиях эксплуатации, показали, что на фундаменте ТНА ( консольно расположенном в кормовой части дизеля ) и на самом ТНА уровни виброскорости в диапазоне частот 20 — 50 Гц имеют значения , превышающие нормы, установленные Регистром судоходства РФ [32], РД 31. 20. 50 - 87 [20,11] и 180 2372, в связи с чем были высказаны предположения , что причиной отказов элементов ТНА является низкочастотная вибрация.

Натурные исследования были направлены на определение теплотехнических параметров элементов системы воздухоснабжения ГД, а также на измерение вибрации и динамических характеристик в ряде точек этой системы на различных режимах работы главной энергетической установки с целью выявления причин повышенной вибрации .

В настоящей диссертации приведены : анализ условий эксплуатации ТНА типа УТЯ 304-11(АВВ) и ТК 35В-08М ( СКБТ г.Пенза) на двигателе 6РС2-6/2Ь400Е танкеров типа "И.Эренбург"; результаты выполненных теплотехнических и вибрационных испытаний системы воздухоснабжения ГД танкеров типа И.Эренбург"; расчетное исследование влияния конструктивных параметров элементов системы воздухоснабжения главных двигателей на виброакустические характеристики; результаты теплотехнических испытаний системы воздухоснабжения ГД с ТНА ТК-35В-08М, установленным взамен штатного ТНА УТЯ 304-11; рекомендации по снижению уровней вибрации ТНА УТИ. 304-11 путем модернизации системы воздухоснабжения среднеоборотного двигателя.

Целью работы является повышение эффективности технической эксплуатации судовых среднеоборотных двигателей 6РС 2 - 6/2Ь400Е серии танкеров типа "И. Эренбург" путем совершенствования системы воздухоснабжения на основе комплекса экспериментальных и расчетных исследований и разработке мероприятий по повышению эффективности технической эксплуатации системы воздухоснабжения и ,как следствие , главных двигателей.

Достижение поставленной цели осуществляется путем решения следующих задач: проведением анализа проблем технической эксплуатации турбонаддувочных агрегатов судовых двигателей; разработкой методик исследований элементов системы воздухоснабжения на двигателе в судовых условиях; анализом отказов и неисправностей, исследованием теплотехнических и виброакустических характеристик турбонаддувочного агрегата УТЫ 304 - И главного двигателя (ГД) 6РС 2 - 6/2Ь400Е при эксплуатации на танкерах типа "И. Эренбург"; расчетным исследованием влияния конструктивных параметров элементов системы воздухоснабжения главных двигателей танкеров типа " И.Эренбург " на виброакустические характеристики; повышением эффективности технической эксплуатации ГД 6РС 2-6/2Ь 400Е танкеров типа "И.Эренбург " путем совершенствования системы воздухоснабжения.

5.4.Выводы по главе.

1. Замена штатного ТНА УТЯ 304-11 главного двигателя 6РС2-6/2Ь400Е т/х " Хирург Вишневский " на турбонаддувочный агрегат ТК 35В-08М и согласование его характеристик с характеристиками двигателя оказалось успешной. ТНА ТК 35В-08М на двигателе 6РС2-6/2Ь400Е проработал более 5 лет и его технико - экономические показатели соответствовали нормируемым для этого двигателя.

2.Изменение конструкции системы воздухоснабжения ГД 6РС2-6/2Ь400Е в соответствии с рекомендациями главы 4 привело к снижению практически во всех точках измерений уровней виброскорости ТНА УТЮ 0411 в среднем в 4 раза (-12Д6) . Измерения уровня вибрации турбонаддувочных агрегатов ГД правого и левого борта, проводимые в течение 40 суток не выявили изменений вибрации в контролируемых точках. Дальнейшая эксплуатация ТНА УТИ. 304-11 на двигателе 6РС2-6/2Ь400Е после модернизации системы воздухоснабжения в 2001 -02 гг. на танкерах типа "И. Эренбург" свидетельствует о повышении надежности эксплуатации двигателей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненного анализа условий эксплуатации , экспериментальных и расчетных исследований THA VTR 304 главных двигателей 6 PC 2-6 / 2 L 400Е танкеров типа " И.Эренбург", а также работ по улучшению характеристик системы воздухоснабжения двигателей сделаны выводы и получены следующие практические результаты:

1 .ТНА имеют низкую надежность; наибольшее число отказов связано с подшипниковыми узлами ротора. Это косвенно свидетельствует о том, что имеют место факторы, вызывающие повышенный уровень вибрации на фундаменте ТНА. Измеренные уровни виброскорости в различных точках конструкции системы воздухоснабжения составляют 10-12 мм/с , что превышает нормы установленные Регистром судоходства РФ и ISO.

2.Теплотехнические характеристики ТНА соответствуют параметрам при нормальной исправной эксплуатации двигателя в широком диапазоне изменения режимов работы. Измерения скорости воздуха за улиткой компрессора ТНА выявили значительную неравномерность потока по сечению и нестабильность во времени.

3. Когерентная обработка вибрационных измерений выявила, что на низких частотах до 200 Гц основной вклад в вибрацию ТНА вносит двигатель, а на высоких частотах ( свыше 400 Гц ) - собственно сам работающий ТНА. Исследование динамических характеристик системы в низкочастотном диапазоне позволили определить резонансные частоты конструкции системы воздухоснабжения и область частот повышенной возбудимости конструкции , которая лежит в диапазоне 24-50 Гц. Для повышения надежности эксплуатации ТНА VTR 304-11 двигателя 6РС2-6/2L 400Е необходимо : а) при сохранении существующей конструкции системы воздухоснабжения применить другой тип ТНА, например, с подшипниками скольжения , который был бы более надежен в эксплуатации , но не уступал бы по теплотехническим параметрам; б) внести изменения в конструкцию элементов системы воздухоснабжения для отстройки комплекса от резонансных частот и снижения уровня вибрации на фундаменте ТНА и собственно самом ТНА.

4. На основании выполненных расчетов определено влияние различных способов ужесточения системы " ТНА - фундамент ТНА -воздушный трубопровод" на виброакустические характеристики и разработаны мероприятия по ужесточению воздушного трубопровода и фундамента ТНА, приводящие к значительному снижению виброакустических характеристик.

5. Расчетное исследование влияния угла поворота оси улитки компрессора на виброакустические характеристики ТНА показало, что оптимальным вариантом является вариант с углом поворота оси выходной улитки компрессора 90°, что обусловлено минимальной длиной трубопровода и дополнительным подкреплением фундамента.

6. Замена штатного ТНА УТЯ 304-11 главного двигателя 6РС2-6/2Ь400Е т/х " Хирург Вишневский " на турбонаддувочный агрегат ТК 35В-08М и согласование его характеристик с характеристиками двигателя оказалась успешной. ТНА ТК 35В-08М на двигателе 6РС2-6/2Ь400Е проработал более 5 лет и его технико- экономические показатели соответствовали нормируемым для этого двигателя.

7. Изменение конструкции системы воздухоснабжения ГД 6РС2-6/2Ь400Е привело к снижению практически во всех точках уровней виброскорости ТНА УТЮ 04-11 в среднем в 4 раза (-12Д6) . Измерения уровня вибрации турбонаддувочных агрегатов ГД правого и левого борта проводимые в течение 40 суток, не выявили изменений вибрации в контролируемых точках. Дальнейшая эксплуатация ТНА УТЯ 304-11 на двигателе 6РС2-6/2Ь400Е после модернизации системы воздухоснабжения в 2001 -02 гг. на танкерах типа "И. Эренбург" свидетельствует о повышении эффективности технической эксплуатации ТНА и двигателей.

1. Артоболевский И.И., Бобровницкий Ю.И., Генкин М.Д. Введение в акустическую динамику машин . М.: Наука, 1979, 295с.

2. Баркова H.A. Виброакустические методы диагностики . Учебное пособие , Д.: ЛКИ, 1985,91с.

3. Башуров Б.П., Шарик В.В. Функциональная надежность турбокомпрессоров систем наддува судовых дизелей, Двигателестроение,№2, 2005,сс.23-29.

4. Бобровницкий Ю.И., Генкин М.Д.,Диментберг М.Ф. Задачи акустической диагностики. / В сб. Виброизолирующие системы в машинах и механизмах. -М.: Наука, 1977, сс.25-37.

5. Васильева Р.В. Вибрационные методы неразрушающего контроля в энергомашиностроении. Труды ЦНИИТмаш, № 146,1978,сс.5-10.

6. Васильева Р.В. и др. Комплекс аппаратуры для эксплутационного состояния мощных турбоагрегатов. Труды ЦНИИТмаш, № 146,1978,сс.11-22.

7. Вибрации в технике : Справочник в шести томах. -М.: Машиностроение.

8. Вибрация паровых турбоагрегатов . Под ред. Б.Т.Рунова.-М.: Энергоиздат,1981,136с.

9. Вибрация энергетических машин : Справочное пособие / Под ред. Н.В.Григорьева . Д.: Машиностроение, 1974, 464 с.

10. Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов. М.: Машиностроение, 1987,288с.

11. Голуб Е.С.,Мадорский Е.З., Розенберг Г.Ш. Диагностирование судовых технических средств: Справочник . М.: Транспорт , 1993, 150с.

12. Горбунов A.A. Диметберг М.Ф. Некоторые задачи диагностики для колебательной системы с периодическим параметрическим возбуждением,/Изв.АН СССР. Механика твердого тела,1974,№2,сс.15-18.

13. Дизели : Справочник / Под ред. В.А. Ваншейдта.-Л.: Машиностроение, 1977,480 с.

14. Диментберг М.Ф. Горбунов A.A. Некоторые задачи диагностики для колебательной системы со случайным параметрическим возбуждением. / Прикладная механика , 1975г. № 4,сс.11-15.

15. Динамические процессы в механизмах с зубчатыми передачами . / Под Ред. М.Д. Генкина, Э.Л. Айрапетова.- М.: Наука, 1976,150с.

16. Дуан Н.И. Сергеев М.Г. Низкочастотная вибрация турбомашин и пути ее устранения./ В сб. Виброизолирующие системы в машинах и механизмах. М.: Наука, 1977,сс. 42-54.

17. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике, " Мир ", М., 1975.

18. Иовлев В.И. Работы ЦНИДИ по турбокомпрессорам для наддува двигателей. Двигателестроение, № 3, 2004, сс.3-4.

19. Карасев В.А., Максимов В.П., Сидоренко М.К. Вибрационная диагностика газотурбинных двигателей М.: Машиностроение, 1978,132с.

20. Комплексная система технического обслуживания и ремонта судов. Основное руководство. РД 31.20.50 -87. М. в/о Мортехинформреклама,1988,218с.

21. Кузнецов H.A. Метод и реализующие его программы расчета виброактивности судового оборудования, Вопросы судостроения , серия " Судовые энергетические установки " , вып. 21, ЦНИИ " Румб " , 1982.

22. Кузнецов H.A., Попков В.И., Попков C.B., Черноберевский В.В. Механические и акустические сопротивления гибких вставок в трубопроводы с жидкостью , труды ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, вып. 12, 2001.

23. Кузнецов H.A., Черноберевский В.В. Акустическое взаимодействие структуры и среды в гидравлических системах. Юбилейный сборник трудов к 100 летию ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, 1994.

24. Межерицкий А.Д. Турбокомпрессоры систем наддува судовых дизелей. J1. Судостроение,!986,с.247.

25. Моек Е., Штрикерт X. Техническая диагностика судовых машин и механизмов: пер.с нем. JI.Судостроение, 1986,232с.

26. Мышинский Э.Л., Седаков Л.П. Вибрационный контроль и диагностирование судового энергетического оборудования в процессе эксплуатации. / Судостроение , 1983, № 5,сс.23-26.

27. Николаев Н.И., Савченко В.А., Кучменко В.В. Анализ отказов и повреждений современных турбонаддувочных агрегатов судовых вспомогательных дизелей при эксплуатации на тяжелом топливе.

28. Изв. ВУЗов. Сев.- Кавк. Регион. Техн. Науки. 2004.Спец выпуск, сс.74-78

29. Овсянников М.К., Петухов В.А. Эксплутационные качества судовых дизелей. JI.Судостроение, 1982,208с.

30. Павлов Б.В. Акустическая диагностика механизмов.-М.: Машиностроение, 1971,285с.

31. Правила классификации и постройки морских судов, т.2, часть VII. Механические установки. СПб, 2005,с.638.

32. Попков В.И. Виброакустическая диагностика и снижение виброактивности судовых механизмов.- Д.: Судостроение, 1974,221с.

33. Попков В.И., Мышинский Э.Л., Попков О.И. Виброакустическая диагностика в судостроении.- Д.: Судостроение, 1989,256с.

34. Постнов В.А., Хархурим И.Я. Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций, Судостроение, Д., 1974.

35. Рунов Б.Т., Меерович Л.Б. Развитие вибродиагностики паровых турбоагрегатов ТЭС и АЭС. / В кн. Вибрация паровых турбоагрегатов.-М.: Энергоиздат, 1981,сс136-138.

36. Самойлович Г.С. Возбуждение колебаний лопаток турбомашин.- М.: Машиностроение, 1975,288с.

37. Сегерлинд J1. Применение метода конечных элементов, " Мир М., 1975.

38. Сиволап Г.П., Жуков М.С. Развитие унифицированных турбокомпрессоров СКБТ для дизелей и газовых двигателей. Двигателестроение, 1994 №3181.,сс.54-56.

39. Справочник по судовой акустике . / Под ред. И.И.Клюкина , И.И.Боголепова Л.: Судостроение, 1978,503с.

40. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. Физматгиз, М.,1959.

41. Турбокомпрессоры для наддува дизелей : Справочное пособие.

42. Байков Б.П., Бордуков В.Г., Иванов Н.В., Дейч Р.С. JL: Машиностроение, 1975, 385с.

43. Филиппов А.П. Колебания деформируемых систем , Машиностроение, М., 1970.

44. Bozhang Ian Е., Mitchl I. Widened frequency range is impriving todays machinery . Vibration Analysis. Power, 1973, vol.117, № 3- pp.51-53.

45. Hunziker R., Jacoby P. A new series of small turbochargers for high flow rates and high pressure rations. CIMAC 2001, Hamburg, v.2, pp.321 331.

46. Lutzen C., Moller A.P., Christensen C. Turbocharger failures, a low of nature or neglect. CIMAC 2001, Hamburg, V.3, pp. 796-801.

47. Schreiber W., Christensen H.H., Hunziker R. TPL A New Turbocharger Series Built for future Engine Development. CIMAC, Copenhagen, 1998,v.4,pp. 1029-1038.

48. Wachtmeister G. The effect of exhaust gas turbocharging on the power concentration of modern diesel and gas engines and its realizations with MAN B&W exhaust gas turbocharges. CIMAC, Copenhagen, 1998, v.4, pp. 985 -994.

49. Список опубликованных работ автора по разделам диссертации

50. Опубликованные работы в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ:

51. Николаев Н.И., Петренко М.В., Анализ условий эксплуатации газотурбонагнетателей типа ТК23Н судовых двигателей 8 ЧН 25/34-3. Транспортное дело России.Спецвыпуск.М.2003 г., с. 47-48.

52. Николаев Н.И., Петренко М.В., Якимов В.А.

53. Анализ вибрационных характеристик системы воздухоснабжения среднеоборотного двигателя 6РС 2-6 / 2L-400E т/х " В.Высоцкий " Транспортное дело России. Спецвыпуск.М.2003 г., с. 37-40

54. Николаев Н.И., Савченко В.А., Петренко М.В., Якимов В.А. Результаты исследования динамических характеристик системы воздухоснабжения среднеоборотного дизеля при искусственном возбуждении. Транспортное дело России. Спецвыпуск.М.2003 г.,с.27-28

55. Петренко М.В. Анализ неисправностей и отказов газотурбонагнетателей VTR 304 11 судов типа " И.Эренбург" . Новая Россия - транспорт и земная ноосфера. НОО - 2000. Материалы всероссийской научной конференции

56. Новороссийск, 2000.С. 225-226

57. Николаев Н.И., Савченко В.А., Петренко М.В.,

58. Методика определения расхода воздуха на двигатели при испытаниях турбонагнетателей в условиях судна. Новая Россия транспорт и земная ноосфера. НОО - 2000. Материалы всероссийской научной конференции, Новороссийск , 2000,сс. 223-224.

59. Николаев Н.И., Савченко В.А., Петренко М.В.,

60. Анализ отказов и повреждений ГТН 304-11 главных двигателейвсех судов серии " И. Эренбург ". М.Морской транспорт , экспресс -информация серия " Техническая эксплуатация флота и судоремонт" , выпуск 11-12. 2001.С.1-10.