автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Повышение эффективности топливоиспользования главных среднеоборотных двигателей балкеров при эксплуатации на частичных нагрузках

13

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОПЛИВОИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЛАВНЫХ СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ БАЛКЕРОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ЧАСТИЧНЫХ НАГРУЗКАХ

Специальность:

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новороссийск - 2009

2 6 НОЯ 2009

003484313

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф.Ушакова» (г.Новороссийск).

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор Николаев Николай Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Шаров Геннадий Иванович

кандидат технических наук, доцент

Марков Сергей Васильевич

Ведущая организация: ЗАО «Управляющая компания "Брянский машиностроительный завод" (г. Брянск)

Защита состоится 24 декабря 2009 года в 10.30 часов на заседании диссертационного совета Д.223.007.01 Морской государственной академии имени адмирала Ф.Ф.Ушакова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф.Ушакова», г. Новороссийск, пр. Ленина,

93.

Автореферат диссертации разослан » ноября 2009 года.

Ученый секретарь

Хекерт Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Повышение эффективности технической эксплуатации судовых главных среднеоборотных двигателей (СОД) в зоне частичных нагрузок при работе на различных сортах топлива является малоисследуемой областью технической науки. Увеличение цен на топливо приводит к тому, что повышение эффективности эксплуатации судов возможно за счет перевода работы двигателей с дизельного топлива на тяжелое.

В настоящее время в составе энергетических установок на многих судах мирового транспортного флота (комбинированные, специализированные и универсальные суда, балкера, ролкеры и т.д.) в качестве главных и вспомогательных двигателей применяются СОД с наддувом. Также одной из отличительных черт современного мирового транспортного флота является наличие большого количества старых судов. Средний возраст мирового транспортного флота с 1998 по 2002 гг. увеличился с 18 до 18,8 лет и эта тенденция сохраняется по настоящее время. Согласно статистике единой государственной системы информации об обстановке в мировом океане, в 2007 году мировой транспортный флот (более 300 рег.т.) насчитывает 42872 судна со средним возрастом 19,1 год, а суда старше 25 лет составляют около 22 % мирового флота. На таких судах, как правило, установлены главные и вспомогательные двигатели, работающие на дизельном топливе. Повышение эффективности эксплуатации этих судов возможно, как за счет перевода двигателей с дизельного топлива на тяжелое, так и за счет согласования параметров топливной системы дизеля, агрегатов наддува и т.п. при их длительной эксплуатации на частичных нагрузках. Также следует отметить, что СОД занимают свыше 25 % от общей мощности, установленных на судах дизелей.

Анализ режимов эксплуатации судовых энергетических установок исследуемых балкеров, обусловленный назначением судов, грузовой базой и следовательно регионом плавания (п.Азовского, Черного морей - порты Италии, северной Европы), показал, что время работы главных двигателей (ГД) составляет около 60 % от общего эксплуатационного периода балкеров, а работа на нагрузках 40-50 % от номинальной 93 % от общего времени работы двигателя. Следует отметить, что главные двигатели современных балкеров в настоящее время, также эксплуатируются на режимах 50-70 % от номинальной мощности.

Применение энергосберегающих и экологически чистых технологий в мировой энергетике и, в частности, на Судах - жизненно важное требование. Большое значение придается поддержанию необходимого уровня топливоиспользования дизелей в течение всего срока эксплуатации, особенно при их эксплуатации частичных нагрузках.

Диссертационная работа посвящена решению важной научно-технической задачи, связанной с повышением эффективности главных СОД балкеров при эксплуатации на частичных нагрузках.

Объект исследования - судовые главные СОД, работающие на режимах частичных нагрузок.

Предмет исследования - повышение эффективности топливоислользования главных СОД балкеров при эксплуатации на частичных нагрузках.

Цель работы - повышение эффективности главных СОД балкеров при эксплуатации на частичных нагрузках путем перевода работы с дизельного топлива на тяжелое, организации качественного сгорания на основе комплекса расчетных и экспериментальных исследований и разработке мероприятий по повышению эффективности технической эксплуатации.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

- разработка вариантов перевода эксплуатации главных СОД с дизельного топлива на тяжелое;

- исследование влияния топлива различной вязкости на технико-экономические показатели главных СОД на частичных нагрузках;

- аппроксимация параметров, характеризующих работу судового главного СОД на топливах различной вязкости;

- исследование влияния давления открытия иглы форсунки на технико-экономические показатели судовых СОД на частичных нагрузках.

- исследование влияния площади соплового аппарата газотурбонагнетателя на эффективность судовых главных СОД на частичных нагрузках;

База исследования. Исследования по теме диссертации проводились на кафедре судовых тепловых двигателей Морской государственной академии им. адмирала Ф.Ф.Ушакова и на балкерах судоходной компании "Морское Транспортное Бюро" (г. Новороссийск).

Научная новизна результатов работы заключается:

- впервые исследовано влияние давления открытия иглы форсунки и площади соплового аппарата газотурбонагнетателя на технико-экономические , характеристики главных СОД на частичных нагрузках;

- уточнены и расширены значения коэффициентов пропорциональности в уравнениях часовой подачи топлива для СОД на частичных нагрузках.

Практическая значимость работы:

- предложены варианты возможных мероприятий по переводу работы главных СОД с дизельного на тяжелое топливо и организации качественного сгорания тяжелого топлива при эксплуатации на частичных нагрузках;

- полученные зависимости на основе экспериментальных данных, характеризующие работу главных СОД позволяют спрогнозировать любой режим в зоне частичных нагрузок при работе, как на дизельном, так и на тяжелом топливе;

- рекомендуются параметры газотурбонагнетателя и топливной системы главных СОД балкеров при их эксплуатации на частичных нагрузках;

-результаты выполненных исследований внедрены в департаменте технической эксплуатации флота судоходной компании «Морское Транспортное Бюро» (г.Новороссийск) и в учебный процесс МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова (г.Новороссийск).

Достоверность научных результатов подтверяедеиа использованием комплекса апробированных и признанных теплотехнических методов и методик исследования; применением приборов и систем измерений прошедших калибровку или метрологическую аттестацию в соответствии с ГОСТ 8.326-89; проведением натурных испытаний; стабильной и экономичной работой на тяжелом топливе в зоне частичных нагрузок главных СОД 9TMS410 фирмы Сторк-Веркспур, установленного на балкере дедвейтом 11848,8 мт и 12V40/54A фирмы Базан-МАН, установленного на балкере на балкере дедвейтом 9261,0 мт.

На защиту выносятся результаты:

- анализа влияния топлива различной вязкости на технико-экономические характеристики работы главного СОД на частичных нагрузках;

- исследования влияния давления открытия иглы форсунки на технико-экономические показатели судового главного СОД на частичных нагрузках;

- исследования влияния плошади соплового аппарата газотурбонагнетателя судового главного СОД на эффективность работы.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на:

- научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Морской государственной академии имени адмирала Ф.Ф.Ушакова, г.Новороссийск, 2006-2008 гг.;

- международной научно-технической конференции "Наука и образование -2008", г.Мурманск, 2008г.;

- научно-технических советах ООО "Морское Транспортное Бюро" и ЗАО "УК"Брянский машиностроительный завод".

Публикации. Представленная совокупность научных результатов и технических решений опубликована в 9 печатных работах, в том числе пять в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из оглавления, перечня сокращений, введения, четырех глав, списка использованных источников (76 наименований) и приложения. Основное содержание изложено на 143 страницах и включает 42 рисунка и 17 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель, объект и предмет исследования, а также изложены основные научные и практические результаты, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена состоянию и анализу опыта технической эксплуатации главных СОД при работе на топливе различной вязкости. Обзор опубликованных работ по технической эксплуатации показывает, что повышение эффективности технической эксплуатации судовых главных СОД на режимах частичных нагрузок при работе на различных сортах топлива является малоисследуемой областью технической науки.

В течении последних десятилетий ведущими специалистами судоходных компаний и научно-исследовательских учреждений ведется интенсивная исследовательская и проектно-конструкторская работа по переводу СОД на дешевые тяжелые топлива и снижению эмиссии выхлопных газов в связи с растущими требованиями защиты окружающей среды. Параллельно решаются задачи по повышению надежности и эффективности двигателей, снижению эксплуатационных расходов и повышению долговечности. Переводу дизелей на тяжелые топлива посвящены работы П.П. Боткина, В.А. Сомова, И.В.Возницкого, В.Осадина, A.A. Яковицкого, А.П.Филиппова, КШ.Васильева, Ю.Я.Фомина, Э.М.Половинкина, В.И.Шестопалова, Л.Н.Карпова, В.Ф.Большакова, Г.А. Кобринского, ЮДПолянцева, И.В. Капитонова, C.B. Камкина, В.П. Шмелева, J. Lamb, G.Glark, G. Murtas и других.

Анализ результатов исследований и работ, связанных с переводом дизелей с дизельного на тяжелое топливо показывает, что это нельзя осуществить простой механической заменой дизельного топлива тяжелыми сортами. Для этого требуется модернизация системы подготовки топлива к сжиганию и соблюдение требований по эксплуатации дизелей на тяжелом топливе. Работа судовых СОД с определёнными технико-экономическими показателями, согласно международного стандарта ISO 8217:2005(Е) может быть обеспечена достаточно широким диапазоном сортов тяжелого топлива - ISO-F-RMA 30, ISO-F-RMD 80 и ISO-F-RMK 700. Несмотря на то, что имеется отечественный и зарубежный опыт по переводу эксплуатации двигателей на тяжелое топливо, каждый раз эта проблема решается индивидуально для конкретного типа судна и двигателя.

В первой главе рассмотрены научные работы, посвященные проблеме технической эксплуатации судовых СОД при работе на различных сортах топлива в зоне частичных нагрузок. Рассмотрение этих работ позволило выделить основные аспекты:

- решение этой проблемы является важной задачей, т.к. приносит значительный экономический эффект вследствие существенной разницы цен на тяжелое и дизельное топливо;

- при применении тяжелых сортов топлива в судовых дизелях возникает ряд проблем, связанных с прокачиванием топлива по трубопроводам, топливоподготов-кой, повышенным износом деталей ЦПГ, образованием нагаров и отложений, загрязнением выпускных трактов и газовых турбин турбокомпрессоров;

- к числу нерешенных проблем при использовании тяжелых сортов топлив следует отнести ухудшение процесса сгорания при работе СОД на частичных нагрузках;

- анализ работы СОД на тяжелых высокосернистых моторных топливах (S<3,5%) показывает необходимость применения специальных смазочных масел, позволяющих нейтрализовать растворы серной кислоты, конденсирующихся на деталях цилиндро-поршневой группы;

- данная проблема актуальна для судов различного возраста находящихся в эксплуатации, у которых ГД работают на дизельном топливе в зоне частичных нагрузок и она должна решаться в каждом конкретном случае индивидуально.

Решение проблемы эффективной технической эксплуатации судовых главных СОД в зоне частичных нагрузок на тяжелых сортах топлива является важной задачей стоящей перед судовладельцами.

Во второй главе рассмотрены энергетические установки балкеров, топливные системы, система воздухоснабжения двигателей, приборное обеспечение и методика исследования параметров главных СОД и их элементов.

Энергетические установки балкеров, на которых проводились исследования, содержат главные СОД: 9TMS410 (рядный) мощностью 4412 кВт производства компании Сторк-Веркспур (балкер, дедвейтом 11848,8 мт), 12V40/54A (V-образный) мощностью 5515 кВт производства компании Базан-МАН (балкер, дедвейтом 9261,0 мт), работающие через редуктор на один гребной вал и винт фиксированного шага.

Для измерения теплотехнических параметров ГТН и двигателя в процессе исследований использовали штатные и дополнительно установленные приборы и устройства. Испытания двигателей на различных сортах топлива проводились, как сравнительные. При измерении основных параметров, таких как давление наддува Рпад , максимальное давление сгорания Рг и т.д., использованы образцовые манометры (класс точности 0,6). Измерение частоты вращения ротора ГТН выполнено бесконтактным способом с помощью электронного тахометра "JAQUET" (трансмиттер, тип: FTG-23 ЗА; конвертор, тип: FTW-910 S11; показывающий прибор).

При измерении давления топлива в трубопроводе высокого давления было изготовлено специальное устройство, которое состоит из: топливной трубки высокого давления; штуцера со сквозным отверстием диаметром 3 мм; секущего клапана; дроссельной шайбы малого диаметра; невозвратного клапана; максиметра, позволяющего измерить давление до 1000 бар. Тарировка прибора была произведена на гидравлическом прессе с использованием образцового манометра (класс точности 0,6).

На СОД конструктивно не устанавливаются приводы для снятия индикаторных диаграмм. Для определения значения среднего индикаторного давления двигателей был использован прибор для контроля рабочего процесса в цилиндрах ДВС - " DPA DIESEL PERFORMANCE ANALIZERIV" компании Drew Ameroid.

В третьей главе дано описание вариантов перевода эксплуатации главного СОД с дизельного топлива на тяжелое.

Обобщение многолетнего отечественного и зарубежного опыта работы судовых СОД на топливах повышенной вязкости позволило выработать следующие основные принципиальные позиции и технические требования для успешного их использования: в системе топливоподготовки должно быть обеспечено качественное сепариро-

ваше; подогрев топлива перед сепараторами и перед двигателем необходимо обеспечивать до получения вязкости топлива 12-15 сСт; форсунки дизеля должны быть охлаждаемые водой, топливом или маслом; турбокомпрессоры должны быть оборудованы системами очистки проточной части; циркуляционные масла должны иметь самостоятельную, постоянно действующую систему сепарирования с обеспечением возможности доливки масла в двигатель; в системе трубопроводов высокого давления необходимы паровые спутники с изоляцией из теплостойких материалов, чтобы устранить вероятность остывания топлива; топливные фильтры должны обеспечивать качественную очистку с тонкостью отсева не менее 10 мкм,- система топливоподачи перед двигателем должны быть оборудована вискозиметром, поддерживающим перед топливными насосами высокого давления стабильно заданную вязкость.

Перед производством работ по модернизации были рассмотрено два варианта возможных мероприятий повышения эффективности за счет использования 180-Р-ЛМА 30 и 180-Р-11М0 80. Были выполнены тепловые расчеты основных элементов системы топливоподготовки тяжелого топлива: котлов и подогревателей. Подобраны основные элементы (вискозиметр, сепаратор тяжелого топлива и т.д.). Осуществление этого проекта повлекло за собой реализацию основных мероприятий по переходу на использование тяжелого топлива ГБО-Р-ЯМА 30 или КО-Р-ЯМО 80, которые приведены в табл. 1.

Таблица 1

Основные мероприятия по модернизации СЭУ балкеров

Дополнительно установленное оборудование

ГД 9ТМ8410 КО-Р-ША 30 (ПЮЗО) 1. два электрических топливоподогревателя; 2. сепаратор тяжелого топлива; 3. топливоперекачивающий насос; 4. вискозиметр; 5. система охлаждения форсунок ГД.

ГД 12У40/54А 1БО-Р-ШО 80 (1Р080) 1.утилизационный котел; 2. атмосферный конденсатор; 3. тёплый ящик; 4. питательный насос; 5. три паровых топливоподогревателя, 6. топливоперекачивающий насос; 7. змеевики; 8. сепаратор тяжелого топлива; 9. вискозиметр; 10. система охлаждения форсунок ГД.

С экономической точки зрения модернизация судна для использования топлива ГБО-Р-ЯМО 80 более выгодна по сравнению с модернизацией при переходе на использование топлива ТБО-Р-ЯМА 30. Однако мероприятия по переходу на использование топлива 180-Р-1ША 30 гораздо проще, меньше трудозатраты, а капиталовложения примерно в десять раз меньше.

Ниже, на примере главного СОД 9ТМБ410 фирмы Сторк-Веркспур приводятся результаты перевода с дизельного на тяжелое топливо. С сентября 2006 года и по настоящее время ГД работает на тяжелом топливе, кроме районов, на которые распространяется Приложение IV к Конвенции МАРПОЛ 73/78 и Директива Европейского парламента 2005/33/ЕС. Нейтрализация растворов серной кислоты, конденсирующихся на деталях цилиндро-поршневой группы была достигнута применением смазочного масла СЬАОШМ 120 ЯЛЕ 30 фирмы Ав1Р. В процессе эксплуатации главного СОД на тяжелом топливе были произведены контрольные вскрытия третьего цилиндра (после 3500 часов) и всех цилиндров ГД (после 12000 часов). Общее состояние деталей цилиндро-поршневой группы после 12000 часов эксплуатации на тяжелом топливе работы хорошее. Все поршневые кольца были подвижны, блестели, рисок на них не было. Боковые поверхности головок поршней выше первого кольца были покрыты бугристым налетом толщиной 0,2 - 0,7 мм. Тронки поршней были покрыты сажистым маслянистым слоем загрязнений, легко удаляемых ветошью. Полученные результаты подтверждают правильность выбора смазочного масла. Тяжелые топлива состоят из тяжелых фракций, обладающих более длительным периодом подготовки к сгоранию и меньшими скоростями сгорания. При работе двигателя на таких топливах особенно в зоне частичных нагрузок, когда давления и температуры в конце сжатия низкие, сгорание топлива смещается в сторону процесса расширения. Количество топлива, накапливающегося в камере сгорания за этот период увеличивается. Последующее самовоспламенение большой массы топлива приводит к росту скоростей нарастания и величины давления, поэтому в нашем случае с переводом работы ГД на тяжелое топливо тепловая напряженность незначительно повысилась за счет увеличения максимального давления сгорания на 3,2 бар и увеличения температуры газов на 25°С. Распределение температуры газов и максимального давления газов по цилиндрам показано на рис.1. Средняя температура газов ГД по цилиндрам при работе на дизельном топливе составила 292°С, а на тяжелом топливе - 317°С. Среднее значение максимального давления сгорания газов в цилиндрах ГД соответственно - 60,3 бар и 63,5 бар.

Так как плотность тяжелого топлива выше дизельного то, несмотря на меньшую теплоту сгорания при одинаковом объеме топлива, в случае использования топлива ИО-Р-ЯМА 30 подводится большое количество теплоты. Соответственно частота вращения ГД после перевода на тяжелое топливо увеличилась. Для сохранения прежней частоты вращения ГД пришлось уменьшить подачу топлива. Средний индекс рейки топливных насосов высокого давления ГД уменьшился на 1,02 , что привело к снижению расхода тяжелого по сравнению с дизельным топливом на 7 %. Расход топлива при работе на дизельном топливе составил 291,7 кг/час, а на тяжелом топливе - 270,8 кг/час.

В течение регулярных рейсов, на которых работают эти балкера "Мариуполь -порты Италии - Мариуполь" (апрель 2007 - 2009) был произведен сбор данных характеризующих работу главных СОД 9ТМ8410 и 12У40/54А на различных режимах при эксплуатации на дизельном (ИО-Р-БМА) и тяжелом ПБО-Р-ПМА 30 и 150-Р-11МО 80) топливах.

340

320

310

300

290

280

/ ч ■ч.

"Л ч N \ г / < \ \ /1 ! / • / ч / ч. > у ( \ \

/ У Ду- ч \ > \ - - иг-"' / \ ч

\ Л \ N / / 1

чС__ ч

65

64 я

: 63

> 60

и

В о-

62

е э

о

й

2Э45678Э

Номера цилиндров ГД

—Температура выхлопных газов при работе на ХЗО-Р-ЪМА ; -й-Температура выхлопных газов при работе на 13О-Р-йКА30 ; -О—Максимальное давление газов при работе на 13О-Р-0МА ; -о-Максимальное давление газов приработана ХЗО-Р-КМАЗО .

Рис. 1. Распределение температуры и максимального давления сгорания газов по цилиндрам при эксплуатации ГД на различных сортах топлива

Составлена программа, позволяющая аппроксимировать зависимости полиномами любой (до пятой включительно) степени со свободным членом или без него с минимально возможными остаточной дисперсией и доверительным интервалом для заданной оператором степени полинома:

/(х) = А+ Вх + Сх2 + Бх3 + Ех4 + Бх5 (1)

Произведена статистическая обработка полученных данных, при степени доверия 0,95, найдены эмпирические зависимости путем аппроксимации полиномами первой, второй и третьей степеней (метод наименьших квадратов).

Проверены полученные коэффициенты на значимость и адекватность полученных уравнений по критерию Фишера. Данные зависимости для главного СОД 9ТМ8410 имеют вид:

1.ИТН = /(п): при работе на гаО-И-ОМА: у = 8 + 0,05х;

при работе на ^О-Р-ЯМА 30: у = 33,8214 - 0,108036х + 0,000223214х2; доверительный интервал = ±0,32.

2.Р, = /(п): при работе на 1БО-Р-ОМЛ: у = 104,986 - 0,38678бх + 0,000625х2; доверительный интервал = ±0,27 бар;

при работе на ЮО-Р-ИМА 30: у = 89,0714 - 0,341071х + 0,000625х2; доверительный интервал = ±0,71 бар.

3.ТГ = /(п): при работе на 180-Р-0МА: у = 18,8357 + 0,4б0893х + 0,000491071х2; доверительный интервал = ±4,11°С;

при работе на ГБСМЧША 30: у = -52,613 + 0,750357х +0,0002678571х2; доверительный интервал = ±6,61°С; у = 6647,67 - 54,1187х + 0,149296х2- 0,000134259х3; доверительный интервал = ±2,85°С.

Данные зависимости для главного СОД 12У40/54А имеют вид:

1.ИТН = /(п): при работе на 180-Р-0МА: у = 36,3571 - 0,0416071х + 0,000223214х2;

доверительный интервал = ±0,37;

при работе на ШО-Р-ЯМИ 80: у = 19,7857 + 0,908929х - 0,0000446429х2; доверительный интервал = ± 0,21.

2Л = /(п): при работе на [БО-Р-ОМА: у = 32,8571 + 0,210714х-0,000178571х2; доверительный интервал = ±0,86 бар;

при работе на 180-Р-КМ0 80: у = 22,5 + 0,908929х + 0,0000446429х2; доверительный интервал = ±0,88 бар.

3. Тг. = /(п): при работе на Ш-Р-ОМА: у = 5,35714 + 0,75625х + 0,000401786х2; доверительный интервал = ±6,00°С;

при работе на ^О-Р-ЯМБ 80: у = -55,66429 + 1,34125х- 0,000848214х2; доверительный интервал = ±1,74°С.

При анализе результатов аппроксимации полученных зависимостей можно сделать вывод, что в большинстве случаев достаточно применение полиномов второй и третьей степеней, подтверждающийся сравнением с опытными данными.

На рис.2, в качестве примера, показано изменение результатов основных параметров в зависимости от оборотов при работе главного СОД 9ТМ5410 в зоне частичных нагрузок на 180-Р-1ША 30 и 1БО-Р-ОМА.

В результате перевода главных СОД с дизельного на тяжелое топливо и исследования влияния топлива различной вязкости на их технико-экономические характеристики работы в зоне частичных нагрузок получены следующие результаты:

1) главные среднеоборотные двигатели стабильно проработали на тяжелом топливе в течение 12000 часов, отказов и неисправностей не было;

2) надежная длительная работа главного СОД на тяжелом топливе с содержанием серы не более 2,5 % обеспечивается использованием масла АС1Р СЬАОШМ 120 БАЕ 30;

3) механическая и тепловая напряженность незначительно повысились в связи с увеличением максимального давления сгорания на 3,16 бар и увеличения температуры газов на 25°С;

4) средний индекс рейки топливных насосов высокого давления ГД уменьшился на 1,0, что привело к снижению расхода тяжелого по сравнению с дизельным топливом на 20,8 кг/час;

5) полученные аппроксимационные зависимости экспериментальных характеристик при эксплуатации среднеоборотных главных двигателей в зоне частичных нагрузок главных СОД могут быть использованы при прогнозировании, контроле эксплуатационных параметров техническими службами судов и компаний.

Рис. 2. Зависимость параметров СОД 9ТМ5410 от оборотов при эксплуатации на различных сортах топлива

В четвертой главе исследуются вопросы повышения эффективности эксплуатации главного СОД на частичных нагрузках путем организации эффективного сгорания тяжелого топлива. Увеличение цен на топливо приводит к тому, что следует изыскивать любые способы улучшения сгорания тяжелого топлива на частичных нагрузках:

- определение значения давления открытия иглы форсунки главного СОД, при котором обеспечивается минимальный расход топлива;

- согласование характеристик ГТН и двигателя.

С этой целью исследовалось влияние давления открытия иглы форсунки на характеристики главных СОД при эксплуатации на тяжелом топливе в зоне частичных нагрузок. Впрыскивание топлива в рабочие цилиндры исследуемых ГД, как и в большинстве СОД, осуществляется по традиционной схеме, включающей топливные насосы высокого давления золотникового типа с регулировкой по концу подачи и форсунки с многодырчатыми охлаждаемыми распылителями.

Известно, что чем меньше размер капель топлива, образующихся при его распиливании, тем быстрее будут проходить процессы их испарения и химические реакции подготовки к воспламенению. Мелкость распиливания находится в прямой зависимости от скорости истечения топлива через сопловые отверстия форсунки, а это определяется давлениями впрыскивания и диаметром сопловых отверстий форсунки. С этой целью в процессе исследования изменялось давление открытия иглы форсунки с 250 до 320 бар при неизменном диаметре сопловых отверстий форсунок.

В качестве примера, на рис.3 приведены результаты влияния давления открытия иглы форсунки на максимальное давление сгорания и температуру газов двигателя 9ТМ8410.

Из полученных зависимостей видно, что чем меньше обороты ГД, тем существенней сказывается давление открытия иглы форсунки на максимальное давление сгорания. К примеру, при увеличении давления открытия иглы форсунки с 250 до 280 бар у ГД 9ТМБ410 при 320 об/мин ГД разница максимальных давлений сгорания составляет 3,11 бар, а при 420 об/мин - 1,0 бар. У ГД 12У40/54А при 200 об/мин ГД эта разница составляет 1,75 бар, то при 300 об/мин - 0,9 бар. В диапазоне изменения давления открытия иглы форсунки с 250 до 280 бар наблюдается общая тенденция уменьшения максимального давления сгорания . Это объясняется тем, что при давлении открытия иглы форсунки 280 бар позже происходит начало подачи и соответственно сгорание топлива сдвигается в сторону запаздывания. Дальнейшее увеличение давления открытия иглы форсунки до 300 бар привело к увеличению максимального давления сгорания. При увеличении давления открытия иглы форсунки с 300 до 320 бар максимальное давление сгорания во всем диапазоне оборотов ГД 9ТМ8410 и 12У40/54А уменьшается. К примеру, было установлено, что у ГД 9ТМ8410 при 320 об/мин максимальное давление сгорания уменьшилось на 3,2 бар, при 420 об/мин на 0,56 бар, а у ГД 12У40/54А при 200 об/мин максимальное давление сгорания уменьшилось на 2,9 бар, при 300 об/мин на 1,0 бар. Следует отметить, что с увеличением оборотов ГД влияние давления открытия иглы форсунки на максимальное давление сгорания уменьшается.

Увеличение давления открытия иглы форсунки с 250 до 320 бар привело к снижению температуры газов на частичных режимах работы ГД.

В связи с тем, что в последнее время отмечается тенденция к изменению приоритетов в области эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, то полученный результат актуален. Если раньше основное внимание уделялось вопросам топливной экономичности, надежности, то в последнее время - экологии. Это связано с растущим во всем мире пониманием важности сохранения окружающей среды, что подтверждается постоянным ужесточением как национальных, так и международных нормативов выбросов. Содержание ИОх в составе продуктов сгорания топлив определяется количеством азота воздуха, окислившегося в процессе сгорания и зависит, главным образом, от температур в камере сгорания. Снижение температуры газов для рассмотренных режимов работы двигателей не везде одинаковое: например у ГД 9ТМ8410 при 320 об/мин на 27°С, а при 420 об/мин на 15°С, а у ГД 12У40/54А при 200 об/мин на 23°С, а при 300 об/мин на 15°С.

35о гбо ;7о геи -чп зоо Дталенпе открытия ттг/ш.т форсункп I* с —О-.'20 об/ишн —•— < И> Оо 'МЧЧ

—'—-ЗбОоЗ/мпн —=— ЗЭО об/мим —а—■'100 об/мин —л— -1 ?П о Г» МIII!

Рис.3. Зависимость максимального давления газов и температуры газов двигателя 9ТМ8410 от давления открытия иглы форсунки на частичных нагрузках

Температура газов является важным параметром, так как наличие необходимого избытка воздуха в цилиндрах ГД (работа системы воздухоснабжения - наддува), качество распиливания и сгорания топлива, при прочих равных условиях, косвенно указывает на нагрузку цилиндра (количество сжигаемого топлива - величина подачи). В качестве примера на рис.4 приведены результаты влияния давления открытия иглы форсунки на давление наддува и часовой расход топлива при работе ГД на частичных нагрузках на тяжелом топливе.

Анализ полученных результатов (рис.3,4) показывает, что лучшие параметры наддува и экономичности ГД получены при давлении открытия иглы форсунки 300 бар. Это еще раз подтверждает быстрое реагирование системы наддува на изменение параметров впрыскивания при работе ГД на тяжелом топливе в зоне частичных нагрузок.

1,3 в

250 260 270 230 290 300 Давление открытия иглы форсунка Р етв

-320 о о/мин -360 о о мин -400 о5/ыпп

З-4-О '.> о МШ1 ЗБО об/мнн 420 о5/мкн

Рис. 4. Зависимость давления наддува и расхода топлива двигателя 9ТМ8410 от давления открытия иглы форсунки на частичных нагрузках

В результате выполненных исследований работы главных СОД на тяжелом топливе в зоне частичных нагрузок можно сделать выводы, что повышение давления открытия иглы форсунки с 250 до 300 бар:

- улучшает сгорание топлива, параметры наддува и экономичность ГД;

- может быть одним из мероприятий по снижению выбросов N0* и позволяет

найти компромисс между расходом топлива и выбросом М0Х.

Рабочие параметры процесса впрыскивания прямо или косвенно характеризуют топливоподачу с количественной стороны, т.е. определяют цикловую порцию топлива, подаваемую форсункой §ц Ф, а соответственно и часовой расход топлива От.

Цикловая подача форсункой выражается уравнением, г/цикл:

gu.4>. - Цф f» Сф рт Тф- Цф fco ico рт Тф, (2)

где: Цф - коэффициент истечения форсунки;

feo, ico - площадь, см2, и число сопловых отверстий распылителя; Í2 i-

Сф = J~-\/P.np - скорость истечения топлива из форсунки, см/сек;

р - удельная масса топлива, кг с2/см4; рт- плотность топлива, кг/см3; Тф - продолжительность подачи форсунки, с; рвпр- давление впрыскивания топлива, бар.

Для данного двигателя, сорта топлива и режима работы в этом уравнении все

параметры, кроме рвпр и Тф - постоянны, поэтому, внося их в постоянную кь получим аналитическое выражение закона подачи:

gü-ф. =KniVPBnp Тф. (3)

Часовой расход топлива находим по формуле:

GT= §ц.ф.60 izn = К„1 л/Рв„р Тф 60 i ZП, (4)

где: I- коэффициент тактности;

Z— количество цилиндров двигателя; П - заданная частота вращения двигателя. •

Приведенные ниже результаты исследования показали, что давление впрыскивания топлива форсункой для систем с золотниковым регулированием подачи, имеющих спиральные регулирующие кромки с невозвратным клапаном на выходе из топливного насоса, при работе на постоянной частоте вращения коленчатого вала выражается линейной зависимостью от давления открытия иглы форсунки из-за увеличения уровня остаточного давления в топливном трубопроводе:

Рвпр = f(PoTK) " : Кп Ротк (5)

где: р0тк- давление открытия иглы форсунки;

Кп - коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты вращения двигателя.

На рис. 5 приведены результаты влияния давления открытия иглы форсунки на максимальное давление впрыскивания топлива при работе главного СОД 9TMS410 на частичных нагрузках на тяжелом топливе.

Тогда уравнение часового расхода топлива можно записать в виде:

G7= K¡ v к п Р атх Тф 60 i Z 11 = Кп1 Víu П, (6)

делая замену К„1 л/ротк П — К„2 рота можно уравнение записать следующим образом: Ох = Кп2 Ротк Л, (7)

где: Кп 5 КП1 иК„2 - коэффициенты пропорциональности, постоянные для определенной заданной частоты вращения двигателя.

g 4 SO

» 470

£ 460 rt

Й 450

& 440 л

1 430

I 420

я

0 410 а

1 400

3

В 390

2 3S0

250 260 270 2S0 290 300 Давление открытия иглы форсунки Р GTK, б<у

i

1

310

.520

- 3 20 об/шш - о - 340 об/ынн -ЗбОоб/кшн - - 3S0 об/ыпн -400 об/ыпн - ~ - 420 оЗ/мпн

Рис. 5. Зависимость максимального давления впрыскивания топлива от давления открытия иглы форсунки на частичных нагрузках главного СОД 9TMS410

Для примера, результаты обработки полученных данных для главного СОД 9TMS410 и нахождения коэффициентов пропорциональности для давления открытия иглы форсунки 250 бар приведены в табл. 2 и на рис.6.

Таблица 2

Давление открытия иглы форсунки 250 бар

П,об/мин 320 340 360 380 400 420

Рвпр,бар 390 392 394 396 398 400

1,560000 1,568000 1,576000 1,584000 1,592000 1,600000

КП1 0,025168 0,026511 0,033661 0,037684 0,040417 0,044302

К„2 0,001592 0,001677 0,002129 0,002383 0,002556 0,002802

250 260 270 280 2£Ю ЗОО ЗЮ . 3 20 Давление открытия иглы форсунки Р

-Л20 об/мнк

- 3<50 об/мни

- 400 об/мик -

■о- - 340 об'мии ■с- - Л во об/мин - 420 об/шш

Рис. 6. Зависимость часового расхода топлива и коэффициента пропорциональности кп2 от давления открытия иглы форсунки на частичных нагрузках главного СОД 9ТМ8410

Результаты исследования позволили сделать следующие выводы :

- максимальное давление процесса впрыскивания топлива (рис. 7) при работе на определенной заданной частоте вращения коленчатого вала главных СОД в зоне частичных нагрузок находится в прямой зависимости от давления открытия иглы форсунки;

- значение часового расхода топлива зависит не только от скоростного режима главных СОД, но и от давления открытия иглы форсунки.

й- 4вО

л 4СО

п

ё 450

ё- 440

т

Э 430

В 420

1 410

§ 400

1

"3, 380

давление открытия иг пи форсунки —о—250 0Л[> , —о— 2206.^} .—;—300 бяр, 320оф.

Рис. 7. Зависимость максимального давления впрыскивания от давления открытия иглы форсунки и частоты вращения коленчатого вала главного СОД 9ТМ5410

Агрегаты наддува органически связаны с двигателем. От эффективности их работы во многом зависят технико-экономические показатели работы всей установки. Снижение КПД ГТН неизбежно приводит к изменению параметров продувочного воздуха. При уменьшении давления воздуха ухудшается продувка цилиндров дизеля и смесеобразование, а это влечет за собой повышение температуры выхлопных газов и теплонапряженности цилиндро-поршневой группы, а также увеличение расхода топлива. Очевидно, что для нормальной работы двигателя с наддувом во всем диапазоне его эксплуатационных нагрузок необходим соответствующий подбор характеристик двигателя и ГТН. Основное условие подобного подбора заключается в том, чтобы совмещенные расходные характеристики двигателя и компрессора захватывали область высоких КПД ГТН и одновременно были бы достаточно далеки от помпажной зоны работы компрессора.

В процессе модернизации в соответствии с предварительно сделанными расчетами по методике кафедры "Судовые тепловые двигатели" изменили площадь межлопаточных каналов сопловых аппаратов (СА) турбин ГТН УТЯ 320 двигателя 9ТМБ410 и УТЯ 321 двигателя 12У40/54А на 13 - 17 % от площади СА, установленных с начала эксплуатации.

На основании выполненных расчетов и модернизации ГТН были проведены экспериментальные исследования влияния площади СА на эффективность в соответствии с методикой исследования теплотехнических параметров судового главного СОД и его элементов.

Изменение площади сопловых аппаратов газовых турбин при эксплуатации главного СОД 12У40/54А в зоне частичных нагрузок улучшило сгорание топлива в

Г " Г" ................1......"1.....".......

I _

____

------------- -------- --------- —. .

^ _ __ —г „ _ — — ----г ~ ~

■

»---

■ "......."1 .

320 340 360 380 400 420

Обороты ГД об/ппи

цилиндрах о чем свидетельствует увеличение давления наддува на 0,13 бар и частоты вращения ротора ГТН на 2100 об/мин (рис. 8).

12000

„ 10Ш0

а 8000

1 6000

4000

0.4

0,3

0.2

0,1

■s"

__; -—~ ~~ Г""

200

где:

220 240 2S0 280 300

Обороты главного двигателя пГд , обЛлин

-до модернизации CA ГТН ; —после модернизации CA ГТН.

Рис.8. Зависимость давления наддува и частоты вращения ГТН от частоты вращения коленчатого вала ГД 12V40/54A

Изменение основных параметров дизеля в зависимости от частоты вращения коленчатого вала при работе главного СОД 12У40/54А в зоне частичных нагрузок после и до модернизации соплового аппарата турбины показано на рис.9.

На основном эксплуатационном режиме работы главного СОД 12У40/54А 300 об/мин (рис. 9):

- средняя температура газов главного СОД 12У40/54А по цилиндрам уменьшилась на 34°С;

- среднее максимальное давление сгорания газов в цилиндре увеличилось на 7,0 бар;

- ИТН уменьшился на 1, а расход топлива на 17 кг/ч, т.е. на 6,6 %.

25 -25 32,5 37 42 47

Индикаторная мощность , ? о

Рис.9. Зависимость параметров работы главного СОД 12У40/54А от нагрузки

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований решена научно-техническая задача повышением эффективности главных СОД балкеров при эксплуатации на частичных нагрузках. В результате проделанной работы получены следующие научные и практические результаты:

1. Повышение эффективности эксплуатации главных СОД балкеров актуально и в настоящее время за счет перевода с дизельного на тяжелое топливо. Годовой экономический эффект при использовании 1SO-F-RMD8Q составляет 367120 USD, а при использовании ISO-F-RMA30 -246150 USD.

2. Использование тяжелого топлива с содержанием серы не более 2,5 % при эксплуатации главных СОД на нагрузках 40-^60 % от номинальных:

а) обеспечивает безотказную длительную работу главных СОД при смазке маслом AGIP CLADIUM 120 SAE 30;

б) привело к незначительному увеличению механической и тепловой напряженности за счет увеличения максимального давления сгорания на 3,2 бар и увеличения температуры газов на 25°С;

в) средний индекс рейки топливных насосов высокого давления ГД уменьшился на 1,0 , что привело к снижению расхода тяжелого по сравнению с дизельным топливом на 21,0 кг/час, что косвенно свидетельствует об улучшении процесса сгорания.

3. При аппроксимации параметров работы главных СОД на топливах различной вязкости достаточно применение полиномов второй и третьей степеней и полученные аппроксимационные зависимости при степени доверия 0,95 могут быть использованы при прогнозировании, контроле эксплуатационных параметров техническими службами судов и компаний.

4. Изменение давления открытия иглы форсунки в диапазоне от 250 до 320 бар оказывает существенное влияние на технико-экономические характеристики главных СОД при их работе в зоне частичных нагрузок:

а) давление открытия иглы форсунки 300 бар является оптимальным при работе на тяжелом топливе, при этом наблюдается общая тенденция снижения температур выпускных газов при увеличении максимального давления газов в цилиндрах и давления продувочного воздуха в ресивере;

б) давление впрыскивания топлива форсункой для систем с золотниковым регулированием подачи, имеющих спиральные регулирующие кромки с невозвратным клапаном на выходе из топливного насоса, при работе на постоянной частоте вращения коленчатого вала выражается линейной зависимостью от давления открытия иглы форсунки из-за увеличения уровня остаточного давления в топливном трубопроводе;

в) значение часового расхода топлива зависит не только от режима эксплуатации двигателя, но и от давления открытия иглы форсунки.

5. Для повышения эффективности судовых главных СОД при длительной эксплуатации на тяжелом топливе в зоне частичных нагрузок (40+-60 % от номинальной) необходимо согласование характеристик ГТН и двигателя. Уменьшение площади проходного сечения CA турбины ГТН на 15-^20 % приводит: к снижению средней температуры газов ГД по цилиндрам на 34°С; увеличению среднего максимального давления газов в цилиндрах на 7,0 бар; снижению расхода топлива на 7,0 %.

Публикации ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ

1. Гинда О.П., Николаев Н.И., Жук А.Н. Повышение эффективности эксплуатации судового теплоэнергетического комплекса с дизельной установкой// Международный журнал речников «Речной транспорт» (XXI век).- 2007,- № 3.- Зс. (Индекс по перечню ВАК РФ 70787, ред. 2006).

2. Гинда О.П., Николаев Н.И., Жук А.Н. Влияние топлива различной вязкости на технико-экономические характеристики работы среднеоборотного главного

гг

двигателя балкера//Международный журнал речников «Речной транспорт» (XXI век).- 2007 - № 4,- Зс. (Индекс по перечню ВАК РФ 70787, ред. 2006).

3.Гинда О.П., Николаев Н.И., Жук А.Н. Эксплуатационные параметры работы среднеоборотного двигателя на различных видах топлива// Международный журнал "Морской флот".-2007,-№ 5.-Зс. (Индекс по перечню ВАК РФ 70550, ред. 2006).

4. Гинда О.П., Николаев Н.И., Жук А.Н. Влияние площади соплового аппарата газотурбонагнетателя на эффективность главного двигателя в условиях эксплуатации// ЦНИДИ-Экосервис, журнал "Двигателестроение" НПФ "Экология",- СПб., 2009.-JY« 1 - Зс. (Индекс по перечню ВАК РФ 70259, ред. апрель 2008).

5. Гинда О.П., Николаев Н.И. Исследование влияния давления открытия иглы форсунки на теплотехнические характеристики судового среднеоборотного главного двигателя в зоне частичных нагрузок// Международный журнал речников «Речной транспорт» (XXI век).- 2009 - № 2.- Зс. (Индекс по перечню ВАК РФ 70787, ред. апрель 2008)

Доклады и публикации в печатных изданиях

6. Гинда О.П. Аппроксимационные зависимости характеризующие работу среднеоборотного главного двигателя балкера на топливах различной вязкости// сб. научных трудов, выпуск 13 - Новороссийск: МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова, 2009.- Зс.

7. Гинда О.П., Николаев Н.И., Жук А.Н. Анализ эксплуатации среднеоборотного главного двигателя 9TMS410 на различных сортах топлива. [Электронный ресурс] / МГТУ. Электрон. Текст. Дан. (20 Мб).- Мурманск: МГТУ, 2008. - Зс.

8. Гинда О.П., Жук А.Н. Влияние CA турбин ГТН на эффективность работы двигателя// Материалы седьмой региональной научно-технической конференции-Новороссийск: МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова, 2008. - Зс.

9. Гинда О.П. Определение расхода топлива, путем уточнения значений коэффициентов пропорциональности в уравнениях цикловой подачи топлива при работе среднеоборотного главного двигателя на частичных нагрузках сб. научных трудов, выпуск 13 - Новороссийск: МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова, 2009,- Зс.

Формат 60x84 1/16. Тираж 100. Заказ 1716. Отпечатано в редакшонно-шдательском отделе ФГОУ ВПО «Морская государственная академия име!ш адмирала Ф.Ф.Ущакова» 353918, г. Новороссийск, ир. Ленина, 93

Список сокращений и аббревиатуры.

Введение.

Глава 1. Состояние и анализ опыта технической эксплуатации судовых главных среднеоборотных двигателей на топливе различной вязкости. Постановка задачи исследования.

1.1. Опыт и проблемы технической эксплуатации судовых среднеоборотных двигателей при работе на различных сортах топлива

1.2. Анализ возможных путей повышения эффективности эксплуатации среднеоборотных двигателей при работе на частичных нагрузках

1.3. Применение аппроксимационных зависимостей для исследования и анализа параметров энергетических машин

1.4. Цель и постановка задачи исследования.

Глава 2. Описание объектов и методики исследования

2.1. Судовые энергетические установки балкеров с главными среднеоборотными двигателями.

2.2. Топливная система балкеров с главными среднеоборотными двигателями.

2.3. Система воздухоснабжения среднеоборотных двигателей.

2.4. Методика исследования теплотехнических параметров главных среднеоборотных двигателей и их элементов.

Глава 3. Совершенствование эксплуатации судового энергетического комплекса балкеров путем перевода главного среднеоборотного двигателя с дизельного топлива на тяжелое при эксплуатации на частичных нагрузках.

3.1. Разработка возможности и проработка вариантов перевода эксплуатации главного среднеоборотного двигателя балкера с дизельного топлива на тяжелое

3.2. Модернизация судового теплоэнергетического комплекса балкера для использования тяжелого топлива.

3.3. Исследование влияния топлива различной вязкости на технико-экономические характеристики работы среднеоборотного главного двигателя на частичных нагрузках

3.4. Аппроксимация параметров работы главного среднеоборотного двигателя балкера на топливах различной вязкости.

Глава 4. Повышение эффективности эксплуатации главного среднеоборотного двигателя на частичных нагрузках путем организации эффективного сгорания тяжелого топлива.

4.1. Согласование расходных характеристик судовых главных среднеоборотных двигателей и газотурбонагнетателей в зоне частичных нагрузок путем изменения геометрии соплового аппарата турбины.

4.2. Исследование влияния площади соплового аппарата газотурбонагнетателя судового главного среднеоборотного двигателя на его эффективность.

4.3. Исследование влияния давления открытия иглы форсунки на технико-экономические характеристики работы среднеоборотного двигателя на частичных нагрузках.

4.4. Исследование влияния давления открытия иглы форсунки на топливоподачу при работе главного среднеоборотного двигателя на частичных нагрузках.

Актуальность проблемы исследования. В настоящее время в составе энергетических установок на многих судах мирового транспортного флота (комбинированные, специализированные и универсальные суда, балкера, ролкеры и т.д.) в качестве главных и вспомогательных двигателей применяются среднеоборотные дизели с наддувом. Также одной из отличительных черт современного мирового транспортного флота является наличие большого количества старых судов[1]. Средний возраст мирового транспортного флота с 1998 по 2005 года увеличился с 18 до 18,8 лет и эта тенденция сохраняется по настоящее время. Согласно статистике единой государственной системы информации об обстановке в мировом океане, в 2007 году мировой транспортный флот (более 300 рег.т.) насчитывает 42872 судна со средним возрастом 19,1 год, а суда старше 25 лет составляют около 22 % мирового флота [2]. На таких судах, как правило, установлены главные и вспомогательные двигатели, работающие на дизельном топливе. Увеличение цен на топливо приводит к тому, что повышение эффективности эксплуатации этих судов возможно за счет перевода двигателей с дорогого дизельного топлива на тяжелое. Также следует отметить, что среднеоборотные двигатели занимают свыше 25 % от общей мощности, установленных на судах дизелей. Они используются в качестве главных на паромах, круизных судах, балкерах, буксирах, траулерах. Для таких судов характерно то, что значительную долю времени эксплуатации составляют малые и средние нагрузки, а также, переходные режимы. Следует отметить, что главные двигатели современных балкеров, также эксплуатируются на режимах 50^-70 % от номинальной мощности.

Применение энергосберегающих и экологически чистых технологий в мировой энергетике и, в частности, на судах — жизненно важное требование.

Большое значение придается поддержанию необходимого уровня топливоиспользования дизелей в течение всего срока эксплуатации, особенно при их эксплуатации частичных нагрузках.

Объект исследования — судовые главные среднеоборотные двигатели, работающие на режимах частичных нагрузок.

Предмет исследования — повышение эффективности топливоиспользования главных среднеоборотных двигателей балкеров при эксплуатации на частичных нагрузках.

Цель и задачи работы. Цель работы — повышение эффективности топливоиспользования главных среднеоборотных двигателей балкеров при эксплуатации на частичных нагрузках путем перевода работы с дизельного топлива на тяжелое, организации качественного сгорания на основе комплекса расчетных и экспериментальных исследований и разработке мероприятий по повышению эффективности технической эксплуатации.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

- разработка возможности и вариантов перевода эксплуатации главного среднеоборотного двигателя с дизельного топлива на тяжелое;

- исследование влияния топлива различной вязкости на технико-экономические характеристики работы главного среднеоборотного двигателя на частичных нагрузках;

- аппроксимация параметров, характеризующих работу судового главного среднеоборотного двигателя на топливах различной вязкости;

- исследование влияния площади соплового аппарата газотурбонагнетателя судового главного среднеоборотного двигателя на его эффективность при работе на частичных нагрузках;

- исследование влияния давления открытия иглы форсунки на технико-экономические характеристики работы судового главного среднеоборотного двигателя на частичных нагрузках.

Методы решения поставленных задач. В диссертационной работе использованы экспериментально-теоретические методы исследования. Основные научные результаты получены с применением современных научно-исследовательских приборов и программных комплексов. Сглаживание экспериментально полученных характеристик двигателей производилось автором по методу наименьших квадратов.

Научная новизна результатов работы:

- впервые исследовано влияние давления открытия иглы форсунки и площади соплового аппарата газотурбонагнетателя на технико-экономические характеристики главных среднеоборотных двигателей на частичных нагрузках;

- уточнены и расширены значения коэффициентов пропорциональности в уравнениях часовой подачи топлива при работе главного среднеоборотного двигателя на частичных нагрузках.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

- предложены варианты возможных мероприятий по переводу работы среднеоборотных главных двигателей на тяжелое топливо и организации качественного сгорания тяжелого топлива при эксплуатации на режимах частичных нагрузок;

- полученные зависимости на основе экспериментальных данных, характеризующих работу главных среднеоборотных двигателей позволяют спрогнозировать любой режим в зоне частичных нагрузок при работе, как на дизельном, так и на тяжелом топливе;

- результаты выполненных исследований внедрены в департаменте технической эксплуатации флота судоходной компании «Морское Транспортное Бюро» (г.Новороссийск) и в учебный процесс МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова (гНовороссийск).

Теоретическое значение результатов заключается в том, что: предложен комплексный подход, позволяющий совершенствовать техническую эксплуатацию главного среднеоборотного двигателя при работе на режимах частичных нагрузок за счет перевода с дизельного топлива на тяжелое и организации эффективного сгорания тяжелого топлива.

Достоверность научных результатов использованием комплекса апробированных и признанных теплотехнических методов и методик исследования; применением приборов и систем измерений прошедших калибровку или метрологическую аттестацию в соответствии с ГОСТ 8.32689; проведением натурных испытаний; стабильной и экономичной работой на тяжелом топливе на режимах частичных нагрузок главных среднеоборотных двигателей 9TMS410 фирмы Сторк-Веркспур, установленного на балкере дедвейтом 11848,8 мт и 12V40/54A фирмы Базан-МАН, установленного на балкере дедвейтом 9261,0 мт. На защиту выносятся результаты:

- анализа влияния топлива различной вязкости на технико-экономические характеристики работы главного среднеоборотного двигателя на режимах частичных нагрузок;

- исследования влияния площади соплового аппарата газотурбонагнетателя судового главного среднеоборотного двигателя на его эффективность;

- результаты исследования влияния давления открытия иглы форсунки на технико-экономические характеристики работы судового главного среднеоборотного двигателя на частичных нагрузках.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на: научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Морской государственной академии имени адмирала Ф.Ф.Ушакова, г.Новороссийск, 2006-2008 гг.; международной научно-технической конференции "Наука и образование - 2008", г.Мурманск, 2008г.; научно-технических советах ОАО "Морское Транспортное Бюро" и ЗАО "Брянский машиностроительный завод".

Публикации. Представленная совокупность научных результатов и технических решений опубликована в 9 печатных работах, в том числе пять в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненного анализа опыта и проблем технической эксплуатации судовых главных среднеоборотных двигателей при работе на различных сортах топлива в зоне частичных нагрузок, экспериментальных и расчетных исследований, а также выполненных работ по организации эффективного сгорания тяжелого топлива двигателей сделаны выводы и получены следующие практические результаты:

1. Повышение эффективности эксплуатации главных среднеоборотных двигателей балкеров актуально и в настоящее время за счет перевода с дизельного на тяжелое топливо. Данное мероприятие приносит значительный экономический эффект вследствие разницы цен на тяжелое и дизельное топливо. Годовой экономический эффект при использовании ISO-F-RMD8O составляет 367120 USD, а при использовании ISO-F-RMA30 246150 USD.

2. Использование тяжелого топлива с содержанием серы не более 2,5 % при эксплуатации главных среднеоборотных двигателей на нагрузках 40^-60% от номинальных : а) обеспечивает безотказную длительную работу ГД при смазке дизеля маслом AGIP CLADIUM 120 SAE 30 с щелочным числом 12мг КОН/г; б) привело к незначительному увеличению механической и тепловой напряженности за счет увеличения максимального давления на 3,2 бар и температуры газов в цилиндрах на 25°С; в) средний индекс рейки топливных насосов высокого давления ГД уменьшился на 1,00 , что привело к снижению расхода тяжелого по сравнению с дизельным топливом на 21,00 кг/час, что косвенно свидетельствует об улучшении процесса сгорания.

3. При аппроксимации параметров работы главных среднеоборотных двигателей на топливах различной вязкости достаточно применение полиномов второй и третьей степеней и полученные аппроксимационные зависимости при степени доверия 0,95 могут быть использованы при прогнозировании, контроле эксплуатационных параметров техническими службами судов и компаний.

4. Для повышения эффективности судовых главных среднеоборотных двигателей при длительной эксплуатации на тяжелом топливе в зоне частичных нагрузок (40-^60 % от номинальной) необходимо согласование характеристик ГТН и двигателя. Уменьшение площади межлопаточных каналов соплового аппарата турбины ГТН на 15-^-20 % приводит к снижению температуры выхлопных газов ГД по цилиндрам на 34°С, увеличению среднего максимального давления газов в цилиндрах на 7,0 бар и снижению расхода топлива на 7,0 %. Годовая экономия от модернизации соплового аппарата турбины ГТН при работе среднеоборотного ГД на тяжелом топливе составила 61115,4 USD.

5. Изменение давления открытия иглы форсунки в диапазоне от 250 до 320 бар оказывает существенное влияние на технико-экономические характеристики главных среднеоборотных двигателей при их работе в зоне частичных нагрузок: а) давление открытия иглы форсунки 300 бар является оптимальным при работе среднеоборотного ГД на тяжелом топливе, при этом наблюдается общая тенденция снижения температур газов при увеличении максимального давления газов в цилиндрах и давления продувочного воздуха в ресивере; б) давление впрыскивания топлива форсункой для систем с золотниковым регулированием подачи, имеющих спиральные регулирующие кромки с невозвратным клапаном на выходе из топливного насоса, при работе на постоянной частоте вращения коленчатого вала выражается линейной зависимостью от давления открытия иглы форсунки из-за увеличения уровня остаточного давления в топливном трубопроводе; с) значение часового расхода топлива зависит не только от режима эксплуатации двигателя, но и от давления открытия иглы форсунки .

1. Состояние мирового торгового флота. — международный морской портал, 2002./www.unescap.org/ttdw/Publications/TPTSpubs/pub2307.

2. Возрастная структура мирового транспортного флота. — российский портал единой государственной системы информации об обстановке в Мировом океане, 2007. /www.morinforcenter.ru.

3. Текущие проекты. Онежский судостроительный завод. http://www.osby.ru/products/sudostroenie/tekuschieproekty/.

4. Лосиков Б.В., Пучков Н.Г., Энглин Б.А. Основы применения нефтепродуктов. М.: Гостоптехиздат, 1955, 463с.

5. Видуцкий JI.M. Зарубежная судовая энергетика в 1982 г. — Санкт-Петербург: Судостроение, 1983, N:12, 13-20сс.

6. Истинская Н.И. Топливо и смазочные материалы. — М.: Сельхозгиз, 1956, 296с.

7. Фомин Ю.Я., Половинка Э.М., Шестопалов В.И. Использование тяжелых топлив в судовых дизелях. —М.: Транспорт, 1971, 192с.

8. Лосиков Б.В., Пучков Н.Г., Энглин Б.А. Основы применения нефтепродуктов. -М.: Гостоптехиздат, 1955, 463 с.

9. Боткин П.П., Сомов В.А. Применение тяжелых топлив в судовых дизелях. Л.: Судпромгиз, 1959, 150с.

10. Тяжелые топлива будущего. В сборнике N:16 "Поршневые и газотурбинные двигатели". — М.: Транспорт, 1983, 9-12сс.

11. Филиппов А.П. Технико-экономическая эффективность использования тяжелого топлива в транспортных дизелях. — М.: Транспорт, 1978,236с.

12. Карпов Л. Н. Использование топлив повышенной вязкости в судовых дизелях.-М.: Морской флот, 1993, №21-22, 15-16сс.

13. Возницкий И.В. Современные судовые среднеоборотные двигатели. Санкт-Петербург: КСИ, 2005, 147с.

14. Международная конвенция по предотвращению загрязнения с судов 1973 г., измененная протоколом 1978 г., МАРПОЛ 73/78. -Санкт-Петербург: АОЗТ ЦНИИМФ, 1994, 313с.

15. Возницкий И.В. Практика использования морских топлив на судах. -Санкт-Петербург: КСИ, 2006, 123с.

16. Среднеоборотные дизели VASA 32. В сборнике N:18 "Поршневые и газотурбинные двигатели". — М.: Транспорт, 1983, 1-5сс.

17. Астахов И.В. Подача и распыливание топлива в дизелях. — М.: Машиностроение, 1972, 359с.

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

19. Бронхман А.И., Сырмай А.Г. Оценка эффективности применения тяжелых топлив в судовых дизельных установках. — М.: Труды ИКТП. Вып. 11, 1969, 150-179с.

20. Осадин В., Яковицкий А.А. Использование моторного топлива в дизелях 6ЧРН 36/45. -М.: Речной транспорт, 1971, N: 12, 33-34сс.

21. Среднеоборотные судовые дизели S.E.M.T.-Pielstick серии РС2-6 и РС4-2 и опыт их эксплуатации. В сборнике N:ll " Поршневые и газотурбинные двигатели". — М.: Транспорт, 1983, 1—9сс.

22. Филиппов А.П. Технико-экономическая эффективность использования тяжелого топлива в транспортных дизелях. — М.: Транспорт, 1978, 236с.

23. Рекомендации по применению и обработке высоковязких топлив для двигателей Pielstick. В сборнике N:12 "Поршневые и газотурбинные двигатели". М.: 1983, N:12, 23~24сс.

24. Сиволап Г.П., Жуков М.С. Развитие унифицированных турбокомпрессоров СКБТ для дизелей и газовых двигателей. Санкт

25. Петербург: Межотраслевой научно-технический и производственный журнал "Двигателестроение", 1994 №3( 181), 54-56 сс.

26. Башуров Б.П., Шарик В.В. Функциональная надежность турбокомпрессоров систем наддува судовых дизелей. — Санкт-Петербург: Межотраслевой научно-технический и производственный журнал "Двигателестроение", №2, 2005, 23-29сс.

27. Межерицкий А.Д. Турбокомпрессоры систем наддува судовых дизелей. —JI.: Судостроение, 1986, 247с.

28. Иовлев В.И. Работы ЦНИДИ по турбокомпрессорам для наддува двигателей. —Санкт-Петербург: Межотраслевой научно-технический и производственный журнал "Двигателестроение", № 3, 2004, 3-4сс.

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

30. Обозов А.А. Новые возможности для наддува двухтактных малооборотных дизелей большой мощности. По страницам журнала DIESELFACTS. Санкт-Петербург: Межотраслевой научно-технический и производственный журнал "Двигателестроение", N:3, 2008, 49-5lcc.

31. Байков Б.П., Бордуков В.Г., Иванов Н.В., Дейч Р.С. Турбокомпрессоры для наддува дизелей. Справочное пособие. — JL: Машиностроение, 1975, 385с.

32. Сборник статей под редакцией Черкеза А.Я. Планирование эксперимента при исследовании газотурбинных двигателей и их элементы, Труды ЦИАМ N: 973. -М.: Типография ЦИАМ, 1981, 246с.

33. Гуревич А.Н., Сурженко З.И., Клепач П.Т. Топливная аппаратура тепловозных и судовых двигателей типа Д-100 и Д-150. —М.: Машиностроение, 1968, 247с.

34. Кулешов А.С., Мизернюк Т.Н. Оптимизация формы характеристики топливоподачи среднеоборотного дизеля. Тез. докл. Всес. науч.-тех. Конф. — М.: Изд.МВТУ, 1987, 50-51сс.

35. Бородюк В.П., Вощинин А.П., Иванов А.З. и др. Статистические методы в инженерных исследованиях. —М.: Высшая школа, 1983, 216с.

36. Бахвалов Н.С. Численные методы. -М.: Наука, 1973, 632с.

37. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. -М.: Высшая школа, 2001, 479с.

38. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. -М.: Наука, 1969, 576с.

39. Кокс Д., Хинкли Д. Теоритическая статистика. . М.: Мир, 1978,560с.

40. Иванов А.З., Круг Т.К., Филаретов Г.Ф. Статистические методы в инженерных исследованиях. Регрессионный анализ. -М.: МЭИ, 1977, 203с.

41. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. -М.: Наука, 1968, 288с.

42. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул. -М.: Высшая школа, 1988, 239с.

43. Гутер Р.С., Овчинский Б.В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта. — М.: Наука, 1970, 432с.

44. Вентцель А.Д. Курс теории случайных процессов. М.: Наука, 1975,319с.

45. Аведьян Э.Д., Цыпкин Я.З. Обобщенный алгоритм Качманжа. — М.: Автоматика и телемеханика, 1979, N:l, 22-78сс.

46. Шишкин В. А. Анализ неисправностей и предотвращение повреждений судовых дизелей. -М.: Транспорт, 1986, 191с.

47. Шишкин В.А., Запорожцев Г.Н., Демиденко Е.П. Решение задач безразборного диагностирования судового оборудования с помощью систем технической диагностики. -М.: В/О "Мортехинформреклама", 1986, 69с.

48. Камкин С.В., Возницкий И.В., Шмелев В.П. Эксплуатация судовых дизелей. -М.: Транспорт, 1990, 344с.

49. Николаев Н.И., Савченко В.А. Современное состояние и техническая эксплуатация турбонаддувочных агрегатов. —Санкт-Петербург: Судостроение, 2005, 113с.

50. Большаков В.Ф., Гинзбург Л.Г. Подготовка топлив и масел в судовых дизельных установках. —Л: Судостроение, 1978, С. 143.

51. Селиверстов В.М. Утилизация тепла в судовых дизельных установках.-Л: Судостроение, 1973, 156с.

52. Сурин С.М., Мануйлов В.П. Расчет тепловых схем и комплектация судовых энергетических установок. — М.: Морской флот, 1980, 187с.

53. Ваншейдт В.А. и др. Судовые установки с двигателями внутреннего сгорания.-Л: Судостроение, 1978, 154с.

54. Ривкин С.Л., Александров А.А. Тепло-физические свойства воды и водяного пара. -М.: Энергия, 1980, 342с.

55. Васькевич Ф.А. Двигатели внутреннего сгорания. Теория, эксплуатация, обслуживание. Новороссийск, 2001.

56. Хандов З.А., Браславский М.И. Судовые среднеоборотные дизели. -Л: Судостроение, 1978, 127с.

57. Большаков В.Ф., Кобринский Г.А., Полянцев Ю.Д. Пути повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов на морском транспорте. — М.: Мортехинформреклама, 1986 , 184с.

58. Возницкий И.В. Топливная аппаратура судовых дизелей. Конструкция, проверка состояния и регулировка . Санкт-Петербург: "КСИ", 2004, 121с.

59. Жук А.Н. Обобщение параметров работы газотурбонагнетателей судовых СОД. -Новороссийск: Сборник трудов сотрудников "Морской Государственной Академии имени адмирала Ф.Ф.Ушакова", 2008.

60. Мельник Г.В. Вопросы экологии на конгрессе CIMAC 2007. -Санкт-Петербург: Межотраслевой научно-технический и производственный журнал "Двигателестроение", № 1, 2008, 49-53сс.

61. Орлов А.Е. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук "Методика определения расхода топлива и эффективной мощности судовых ДВС в условиях эксплуатация". -Санкт-Петербург: ФГОУ ВПО СПГУВК, 2009, 30с.

62. Lamb John. Petroleum and its combustion in diesel engines, 1955, p.240.

63. Petroleum products, fuels specifications of marine fuels; identical with ISO-F-RMC 10, ISO-F-RMF 25 and ISO-F-RMA 35.

64. Annex VI of MARPOL 73/78. Regulations of the Prevention of Air Pollution from Ships and NOx Technical Code, IMO, London, 1998, p. 150.

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

66. Lutzen С., Moller A.P., Christensen С. Turbocharger failures, a low of nature or neglect. CIMAC 2001, Hamburg, V.3, p.796-801.

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

68. 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, p. 985-994 .

69. David Tinsley. Racking up engine performance./ Shipping World & shipbuilding. Propulsion: turbochargers, 2007, June, p. 10-15.

70. Future fuels and the diesel SWD/ The Motor Ship, 1987, august.

71. Lower-powered vessels switch to cheaper fuel/ Lloyd list, 1985.

72. Список опубликованных работ автора по разделам диссертации.

73. Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

74. Публикации ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ

75. Гинда О.П., Николаев НИ., Жук А.Н. Эксплуатационные параметры работы среднеоборотного двигателя на различных видах топлива// Международный журнал "Морской флот".- 2007 № 5 - Зс. (Индекс по перечню ВАК РФ 70550, ред. апрель 2006)

76. Доклады и публикации в печатных изданиях

77. Гинда О.П. Аппроксимационные зависимости характеризующие работу среднеоборотного главного двигателя балкера на топливах различной вязкости// сб. научных трудов, выпуск 13 Новороссийск: МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова, 2009 - Зс.

78. Гинда О.П., Николаев Н.И., Жук А.Н. Анализ эксплуатации среднеоборотного главного двигателя 9TMS410 на различных сортах топлива. Электронный ресурс. / МГТУ. Электрон. Текст. Дан. (20 Мб).— Мурманск: МГТУ, 2008. Зс.

79. Гинда О.П., Жук А.Н. Влияние СА турбин ГТН на эффективность работы двигателя// Материалы седьмой региональной научно-технической конференции — Новороссийск: МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова, 2008. Зс.