автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Совершенствование эксплуатации судовых среднеоборотных двигателей на основе исследования влияния различных факторов на абразивный износ элементов проточной части радиально-осевых турбин турбокомпрессоров

005531487

На правах^кописи

Герасиди Виктор Васильевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДОВЫХ СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА АБРАЗИВНЫЙ ИЗНОС ЭЛЕМЕНТОВ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ РАДИАЛЬНО-ОСЕВЫХ ТУРБИН ТУРБОКОМПРЕССОРОВ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 1 ИЮЛ 2013

Новороссийск - 2013

005531487

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова» (г. Новороссийск)

Научный руководитель:

Николаев Николай Иванович, доктор технических наук, профессор Официальные оппоненты:

- Иванченко Александр Андреевич, доктор технических наук, профессор, действительный член Академии транспорта РФ, зав. кафедрой «Судовые энергетические установки, технические средства и технологии», «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» (г. Санкт-Петербург)

- Пальчик Казимир Берковнч, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Ремонт судовых машин и механизмов», ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова»

(г. Новороссийск)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет»

Защита состоится «10» июля 2013 года в 12 часов 00 минут в аудитории Б1 на заседании диссертационного совета Д223.007.01 ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф.Ушакова» по адресу: 353918, г. Новороссийск, пр. Ленина, 93.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф.Ушакова». Автореферат диссертации разослан «10» июня 2013 года.

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. На морских судах находят широкое применение в качестве главных и вспомогательных двигателей среднеоборотные двигатели (СОД), которые составляют более 50% от общей суммарной мощности, установленных на судах дизелей ("Yanmar", "MAN Diesel&Turbo", "Wartsila" и др.). В качестве агрегатов наддува для этих дизелей в большинстве случаев используются турбокомпрессоры (ТК) с радиально-осевой (РОС) турбиной производства компаний "ABB Turbo System", "MAN Diesel & Turbo", "Mitsubishi heavy industries" и т.д.

В течение последних десятилетий ведущими двигателестроительными компаниями велась интенсивная работа по переводу судовых дизелей на тяжелые сорта топлива и снижению эмиссии отработавших газов в связи с растущими требованиями защиты окружающей среды. Современные судовые СОД в основном работают на тяжелых сортах топлива вязкостью 380 сСт, что, несомненно, оказывает заметное влияние на работу как самого дизеля, так и ТК. Опыт эксплуатации показывает, что в связи с применением тяжелого топлива в СОД элементы проточной части РОС турбины ТК подвергаются абразивному износу под воздействием твердых частиц, которые содержатся в отработавших газах дизеля. Эффективность и надежность работы ТК во многом определяет технико-экономические показатели и надежность судовых дизельных установок. Подтверждение этому находится в работах отечественных ученых и инженеров, в докладах на конгрессах двигателестроения CIMAC за последние 10 лет, в которых сообщается о незапланированных простоях в работе судовых дизелей из-за большого количества неисправностей и отказов ТК. Применение тяжелых сортов топлива на судах морского и речного транспорта обуславливает необходимость и актуальность исследования механизма воздействия твердых частиц отработавших газов СОД на элементы проточной части турбин ТК, а также обоснование возможности применения сухих чистящих средств для очистки проточной части РОС турбин ТК СОД при их эксплуатации на тяжелом топливе.

Степень её разработанности. Обзор и анализ литературных источников, посвященных изучению абразивного износа элементов энергетического оборудования, выполненные за последние десятки лет показывают, что изучению абразивного износа элементов РОС турбин уделено мало внимания. Экспериментальные исследования проводились, в основном, для деталей судовых дизелей и их элементов. В исследованиях Л.И. Погодаева разрабатываются структурно-энергетические модели, выдвигаются основные гипотезы о причинах эрозии таких деталей как выпускные клапана судовых дизелей. В работе Н.С. Алферова рассматриваются исследования абразивного износа элементов энергетического оборудования при работе на твердом топливе и топливе вязкостью до

80 сСт. Большая часть литературных источников посвящена вопросам теоретических методов исследования абразивного износа деталей ТК. В исследованиях ученых ГМУ имени адмирала Ф.Ф. Ушакова рассмотрена математическая модель движения двухкомпонентной рабочей среды отработавших газов дизеля с твердыми частицами во входном устройстве (ВУ) турбины ТК. Модель позволила оценить влияние большого числа различных факторов: размера и формы частиц; степень упругости соударения частиц с твердой стенкой канала; характер распределения и скорость частиц во входном сечении и др. Определены физико-химические свойства материалов входных устройств и сопловых аппаратов (СА) РОС турбин ТК. В трудах Г.Ш. Розенберга рассматривается эрозия направляющих и рабочих лопаток центростремительных газовых турбин, проводится обобщение выполненных ранее экспериментальных и теоретических методов исследования абразивного износа деталей ТК при работе на топливе вязкостью до 80 сСт.

Однако в современных судовых СОД используется тяжелое топливо вязкостью 380 сСт. В связи с этим в отработавших газах дизеля присутствуют твердые (абразивные) частицы высокой твердости, которые изнашивают элементы проточной части РОС турбины ТК. Это приводит к снижению эффективности судовых дизелей из-за частой замены, например, СА ТК через 20004000 часов работы.

На данный момент нет опубликованных работ, посвященных экспериментальному определению количественного и качественного состава твердых (абразивных) частиц в отработавших газах СОД в эксплуатации на судне и стенде, и по оценке влияния различных эксплуатационных факторов на величину абразивного износа элементов проточной части РОС ТК в лабораторных условиях.

Цели и задачи. Цель диссертационной работы - совершенствование эксплуатации судовых среднеоборотных двигателей на основе исследования влияния различных факторов на величину абразивного износа элементов проточной части радиально-осевых турбин турбокомпрессоров.

Достижение поставленной цели осуществляется на основе решения следующих задач:

- анализ условий и проблем эксплуатации ТК с РОС турбиной судовых

СОД;

- разработка устройств и экспериментального стенда для исследования параметров твердых частиц в отработавших газах СОД и влияния основных физико-механических и кинематических характеристик твердых материалов на величину абразивного износа деталей проточной части РОС турбин ТК;

- определение состава твердых (абразивных) частиц в отработавших газах судовых СОД в эксплуатации;

- разработка математической модели абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК на основе теории планирования эксперимента;

- проведение экспериментальных исследований влияния на абразивный износ деталей проточной части РОС газовых турбин ТК твердых материалов с различными физико-механическими и кинематическими характеристиками;

- разработка рекомендаций по очистке проточной части РОС турбин сухими чистящими средствами СОД, работающих на тяжелом топливе.

Научная новизна заключается:

1. В определении параметров твердых частиц в отработавших газах в коллекторе отработавших газов судовых СОД, работающих на тяжелом топливе КЧО-Р-ЯМО 380 в широком диапазоне изменения нагрузок.

2. В оценке влияния угла атаки, скорости и массы абразивных частиц на процесс изнашивания элементов проточной части РОС турбин ТК судовых дизелей.

3. В разработке математической модели абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что

- использованы основы теории планирования эксперимента в исследовании абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК;

- разработана математическая модель абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК на основе теории планирования эксперимента;

- определен количественный и качественный состав твердых частиц в отработавших газах судового СОД, работающего на тяжелом топливе [ЭО-Р-ЯМО 380 в широком диапазоне изменения нагрузок;

- предложен комплексный подход, позволяющий анализировать и прогнозировать влияние твердых материалов на абразивный износ элементов проточной части турбин ТК современных судовых дизелей;

- предложены рекомендации для снижения величины абразивного износа проточной части РОС турбины ТК путем изменения конструкции соплового аппарата;

- обосновано применение сухих твердых веществ для очистки проточной части РОС турбины ТК.

Методология и методы исследования основываются на использовании экспериментальных методов (физико-механического, аэродинамического) исследования. Для решения поставленной цели и задач использованы в математических моделях - теория планирования эксперимента; в экспериментальных исследованиях - установка и приборы, обеспечивающие высокую точность измерений, достаточный объем экспериментальных данных.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:

- результаты экспериментальных исследований определения состава твердых (абразивных) частиц в отработавших газах судового СОД, работающего на тяжелом топливе 150-Р-КМ0 380;

- математическая модель абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК на основе теории планирования эксперимента;

- результаты экспериментальных исследований процесса абразивного износа материалов проточной части РОС турбин ТК судовых дизелей;

- рекомендации по совершенствованию Технической эксплуатации СОД путем изменения геометрии СА и применению очистки проточной части РОС турбин сухими чистящими средствами.

Степень достоверности и апробации результатов достигается комплексным использованием известных, проверенных практикой методов проведения эксперимента; теорией подобия протекания процессов в различных средах; проведением натурных испытаний; применением точных приборов; математической моделью, разработанной на основе теории планирования эксперимента, проверкой адекватности модели с результатами эксплуатации ТК с РОС турбинами СОД, работающих на тяжелом топливе.

Материалы диссертации докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, «Молодая наука 2009, 2011» Морской государственной академии им. Ф.Ф.Ушакова, г. Новороссийск; конференции «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России / II межвузовская научно-практическая конференция студентов и аспирантов» (Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций, 2011 г); международной научно-технической конференции «Наука и обра-зование-2011» (г. Мурманск, 2011г); всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы морской энергетики» (Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, 2012г, 2013г).

Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 10 научных работах, все по теме диссертации. Из них б статей, 2 тезиса доклада, 2 отчета по НИР, 2 работы выполнены без соавторов, авторская доля в остальных от 30% до 60%. В рецензируемых научных журналах и изданиях рекомендованных ВАК РФ опубликовано 3 работы, авторская доля составляет от 40% до 50%.

СОДЕРЖАНИЕ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цели и задачи работы, изложены научные и практические результаты, описана структура диссертации, приведены данные по апробации и реализации полученных результатов.

Первая глава посвящена анализу условий и проблем технической эксплуатации ТК СОД, работающих на тяжелых сортах топлив КО-Г-ЯМО 380, и методам исследования процессов изнашивания элементов энергетического оборудования. Показано, что характерными особенностями судовых СОД является то, что

- современные судовые дизеля в основном работают на тяжелых сортах топлива вязкостью 380 сСт;

- в качестве агрегатов наддува судовых СОД широко применяются ТК с РОС турбинами;

- в процессе эксплуатации техническое состояние ТК ухудшается (наблюдается абразивный износ элементов проточной части РОС турбины при малых наработках 2000-4000 часов; повышается температура отработавших газов; уменьшается давление наддувочного воздуха; увеличивается удельный расход топлива и т.п. (рис.1)).

Анализ условий эксплуатации СОД, работающего на различных сортах топлива показывает, что происходит загрязнение элементов проточной части РОС турбины ТК (рис.1,г), которое приводит к изменению технико-экономических параметров дизеля при работе как на дизельном топливе, так и на тяжелом топливе 180-Р-1ШС380.

Рисунок 1- Загрязнение и абразивный износ элементов проточной части

радиально-осевых турбин турбокомпрессоров: а) износ СА ТК типа N11; б) износ РК турбины; в) износ ВУ турбины ТК типа г) загрязнение лопаточного аппарата турбины МЕТ

В настоящее время существует большое количество неисправностей и отказов, связанных не только с загрязнением, но и с абразивным износом элементов проточной части РОС турбины СОД, которое приводит к повреждениям деталей ТК при наработке 2-10 тыс. часов в условиях применения тяжелого топлива (рис.1,а,б,в). На рисунке 1,а видно, что в процессе эксплуатации геометрические характеристики СА турбины изменились: выходные кромки всех лопаток разрушены, на кольцевой ограничивающей поверхности СА у выходных кромок

образовалась глубокая кольцевая канавка по всей окружности, на поверхностях лопаток обнаружены следы абразивного износа. На рисунке 1,6 виден абразивный износ входных кромок лопаток рабочего колеса турбины. Наработка составила 5000 часов. На рисунке 1,в показан ТК с безлопаточным направляющим аппаратом (БНА). При ревизии ТК с наработкой около 6000 часов было установлено, что в газоприемном корпусе турбины видны следы абразивного износа (образовалась "щель"). На рисунке 1,г показано загрязнение (нагарообразование) проточной части РОС турбины MET 18RSR (Mitsubishi) при наработке 1000 часов эксплуатации на тяжелом топливе ISO-F-RMG380.

Загрязнение и абразивный износ элементов проточной части РОС турбин приводит к уменьшению надежности и экономичности СОД. В связи с дальнейшим ухудшением качества топлива, следует ожидать увеличение проблем, связанных с абразивным износом проточной части РОС турбин ТК. Поэтому необходимо исследовать процессы изнашивания элементов проточной части РОС турбин ТК судовых дизелей.

Аналитический обзор работ показывает, что в трудах Г.Ш. Розенберга, И.В. Возницкого, Л.И. Погодаева, JI.B. Власова, К.В. Олесевича, Н.С. Алферова, ученых ГМУ имени адмирала Ф.Ф. Ушакова и др. рассматривается механизм абразивного износа элементов проточной части турбин (рис.2).

Рисунок 2 - Условная классификация методов исследования абразивного износа элементов проточной части турбин -----выполнено автором

Большая часть работ посвящена исследованию эрозии направляющих и рабочих лопаток центростремительных газовых турбин и обобщению выполненных ранее экспериментальных и теоретических методов исследования абразивного износа деталей ТК; течению вязкой сжимаемой двухкомпонентной рабочей среды в РОС турбинах с безлопаточным направляющим аппаратом (БНА); исследованию химических, металлографических и механических свойств ВУ и CA ТК с РОС турбиной, абразивного износа деталей энергетического оборудования на твердом топливе и топливе вязкостью до 80 сСт.

Однако при работе современных судовых СОД используется тяжелое топливо высокой вязкости 380 сСт, и в отработавших газах дизеля присутствуют твердые (абразивные) частицы, которые изнашивают элементы проточной части РОС турбины ТК, что приводит к простою в работе судовых дизелей. Таким образом, необходимо исследовать качественный и количественный состав твердых частиц отработавших газов СОД, процессы изнашивания деталей проточной части РОС турбин ТК твердыми материалами; рекомендовать очистку проточной части РОС турбин ТК сухими чистящими средствами.

Во второй главе дано описание объектов исследования, специальных устройств, экспериментальной установки, методики исследования деталей ТК современных судовых СОД.

Объектами исследования являются ТК и их детали производства компаний "ABB Turbo System", "MAN Diesel &Turbo", "Mitsubishi heavy industries", которые предназначены для эксплуатации на тяжелом топливе в условиях высоких температур отработавших газов ДГ. ТК имеют общие конструктивные признаки (РОС турбины, подшипники скольжения, расположенные между дисками рабочих колес компрессора и турбины и т.п.).

Для более детального изучения механизма абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК необходимо определить качественный и количественный состав твердых (абразивных) частиц с различными физико-механическими и кинематическими характеристиками, движущихся в потоке отработавших газов дизеля. Для этого был изготовлен специальный зонд, который устанавливался в коллектор отработавших газов дизеля 6EY18AL (Yanmar), работающего на тяжелом топливе ISO-F-RGM 380. Зонд включает в себя стакан с длинной юбкой и специальным вырезом, а также контейнер для сбора твердых абразивных частиц отработавших газов ДГ.

В методику экспериментального исследования количественного и качественного состава твердых частиц отработавших газов дизеля входило изучение условий работы СОД 6EY18AL мощностью 650 кВт режимы эксплуатации; техни-

ческое состоянии ДГ; используемое топливо. Исследования проводились на установившихся режимах эксплуатации ДГ при 25,50,75,90% от номинальной нагрузки двигателя. Отклонение параметров (температура отработавших газов; давление наддува; удельный расход топлива), полученных на дизеле в судовых условиях во время проведения экспериментальных исследований по отношению к параметрам поученных во время сдаточных испытаний составила не более 2%. Применение и подготовка используемого топлива на дизель ISO-F-RMG 380 во время экспериментальных исследований соответствовали требованиям стандарта ISO 8217-2010, который регламентирует содержание в топливе алюмосиликатов, и технической эксплуатации оборудования (сепарирование и фильтрации топлива). Процедура улавливания твердых (абразивных) частиц в отработавших газах дизеля проходила при следующих условиях работы СОД: управлялся с местного поста; заранее введен в эксплуатацию (прогрет); замеры осуществлялись на каждом установившимся режиме ДГ при снижении нагрузки от 90% до 25% от номинальной.

Для исследования величины абразивного износа проточной части РОС турбин ТК судовых дизелей была спроектирована и изготовлена экспериментальная установка (рис.3). Экспериментальная установка включает в себя поршневой компрессор 1, который нагнетает воздух в емкость сжатого воздуха (ресивер) 2 с давлением от 1,5 до 3 бар. Стенд снабжен контрольно измерительными приборами: манометрами 4,7,14 и термометр 11. Угол атаки обеспечивается поворотом тисков 18, в которых закреплен образец 16. В качестве образцов для проведения экспериментальных исследований были взяты части деталей РОС турбин современных ТК судовых дизелей: образец №1 от газоприемного патрубка ТК типа RR с БНА (ABB); образец №2 от газоприемного патрубка ТК типа NR с сопловым направляющим аппаратом; образец №3 от лопатки СА ТК типа NR (MAN Diesel &Turbo). Металлографический и химический анализ образцов показал, что их состав соответствует требованиям производителя. Для исследования влияния абразивного износа проточной части РОС турбины были взяты абразивные материалы: сухое чистящее средство, твердость 6 по шкале Мооса, масса одной фракции составляет 0,0003 и 0,0007кг, которое применяется для очистки осевых турбин ТК малооборотных двигателей (МОД); электрокорунд (А1203) твердость 9 по шкале Мооса, масса одной фракции составляет 0,0003, 0,0005 и 0,0007кг. Перед испытаниями проводилась калибровка абразивов и взвешивание. Абразивный износ образцов определяется потерей веса.

Рисунок 3 - Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 - компрессор; 2 - емкость сжатого воздуха; 3,6,910 - клапаны; 4,7,14 - монометры; 5 - предохранительный клапан; 8 - емкость с частицами абразива; 11 -термометр; 12-паяльная лампа; 13 -труба0 20мм; 15-сопло; 16-образец; 17 -шестигранник; 18 -тиски; 19 - стол

Для того чтобы результаты исследования на экспериментальной установке соответствовали реальным условиям эксплуатации деталей РОС турбин ТК СОД, были определены основные числа подобия и соотношения, определяющие режи-

' Р к Р

мы работы ТК: М,-г-Де,—где: М- число Маха; —- отношение давлений за

"г к ~1 Р)

турбиной и до неё; Ле- число Рейнольдса; —— показатель адиабаты. Опреде-

к-1

ляющими режимными параметрами являются числа Маха и Рейнольдса. Их расчет и сравнение для условий работы ТК на отработавших газах дизеля и образцов при исследовании на экспериментальной установке (рис.3) позволили обеспечить подобие физических процессов при следующих условиях проведения исследований на экспериментальной установке: скорость с рабочей среды (смеси воздуха и абразивного материала) на исследуемый образец во время экспериментальных исследований изменяется в пределах от 100 до 350 м/с; давление р рабочей среды на входе в сопло, изменяется от 1,5 до 3 бар.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований, выполненных на судовом СОД в период эксплуатации судна и экспериментальной установке для исследования влияния различных факторов на абразивный износ элементов РОС турбин ТК.

и

Перед проведением экспериментальных исследований количественного и качественного состава твердых частиц отработавших газов были рассмотрены условия эксплуатации дизеля, на котором проводились испытания. В качестве агрегата наддува применяется ТК с РОС турбиной МЕТ 18RSR (Mitsubishi). Анализ гистограммы распределения нагрузок дизель-генератора (ДГ) за один месяц наработки показывает, что двигатель работает в диапазоне от 30 до 60% от номинальной нагрузки.

На рисунках 4,5 представлены основные результаты экспериментального исследования определения количественного, качественного состава твердых частиц в отработавших газах дизеля с помощью зонда. Эти результаты получены за одну минуту работы ДГ, работающего на тяжелом топливе, на установившихся режимах эксплуатации при 25, 50, 75 и 90 % от номинальной нагрузки.

Из рисунков 4,5 видно, как изменяется количество твердых частиц в зависимости от нагрузки ДГ. При относительной нагрузке Ne№~0,9, близкой к номинальной, количество и размеры твердых частиц минимальны. Это обусловлено тем, что на данной нагрузке условия сгорания топлива оптимальные. При наименьшей относительной нагрузке Л'едг=0,25 количество твердых частиц максимальное и их размер достигает 2мм.

I I

І I і і І і , . 8s-

j і ....... 1

J і і і t і І » і і

0,1 €,3 0,5 0,7 0,9 1

Относительная нагрузка дизель-генератора і¥едг

Рисунок 4 - Сравнительная характеристика состава твердых частиц в отработавших газах за одну минуту эксплуатации дизель-генератора на различных нагрузках

С5

Рисунок 5 - Зависимость количества и размера твердых частиц от относительной нагрузки дизель-генератора 6ЕУ18АЬ (Уапшаг)

Рисунок б - Зависимость относительного расхода твердых частиц в отработавших газах дизель-генератора от нагрузки двигателя

Из рисунка 6 видно, что снижение нагрузки ДГ от 90% до 25% от номинальной мощности приводит к увеличению относительного расхода твердых частиц в отработавших газах, и оно составляет около 5% от общей массы продуктов

горения дизеля на нагрузке Шдт= 0,25: С,,... = ^-100% , где расход твер-

С1

дых частиц в отработавших газах; Ог - расход отработавших газов на турбину.

Полученные результаты исследования по определению количественного и качественного состава твердых частиц в отработавших газах современного СОД, работающего на тяжелом топливе, позволили определить, что

- параметры твердых частиц, входящих в состав отработавших газов СОД, сильно зависят от его нагрузки;

- относительное количество твердых частиц, попадающих в коллектор отработавших газов при относительной нагрузке дизеля Ж,_=0,25, работающего на тяжелом топливе, составляет около 5% от общей массы отработавших газов СОД;

- снижение нагрузки ДГ менее 50% от номинальной мощности приводит к резкому увеличению содержания твердых частиц в отработавших газах дизеля;

- физико-механические свойства твердых частиц показали, что эти зафиксированные с помощью специального зонда частицы, входящие в состав отработавших газов дизеля, имеют высокую твердость, которая составила более 470 НВ.

Полученные результаты экспериментальных исследований по определению состава твердых (абразивных) частиц в отработавших газах дизеля позволили определить факторы, влияющие на величину абразивного износа деталей проточной части ТК: масса абразивного материала одной фракции, угол атаки и скорость абразивного материала.

Для нахождения значимых факторов, влияющих на абразивный износ деталей ТК, была применена теория планирования эксперимента. Для данного исследования абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК твердыми частицами в отработавших газах СОД рассмотрен трехуровневый полный факторный эксперимент, построена матрица планирования эксперимента вида 23 (таблицы 1,2).

Таблица 1

Значение принятых зависимых факторов

Натуральные значения Масса абразивно- Угол атаки абра- Скорость аб-

го материала од- зивного материа- разивного ма-

ной фракции, кг ла, градусы териала, м/с

Минимальное 0,0003 30 100

Максимальное 0,0007 60 350

Безразмерные X, х2 Хз

кодированные значения

Минимальное -1 -1 -1

Максимальное 1 1 1

и

Таблица 2

Матрица планирования эксперимента 23 износа деталей турбокомпрессора

№ опыта 1 2 3 4 5 6 7 8

Оцениваемые гЬяктопы и> ы — 1 1 1 -1 1 1 1 -1 1 -1 -1 1 1 1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 -1 -1

5 V иг 1 образец! 5 V П 1 образец2 Н V 0 1 образецЗ 0,36 0,36 0,43 0,3 0,3 0,35 0,49 0,5 0,6 0,42 0,44 0,55 0,24 0,25 032 0,18 0,19 0,26 0,31 0,32 0,42 0,25 0,24 0,37

Полученные в результате проведенных экспериментов значения откликов системы Уо6разець ^образы, Уо6рщецз для трех образцов позволили получить математическую модель абразивного износа У элементов проточной части РОС турбин ТК:

Уобр.^ 0,32+0,031X1-0,049X2+0,074X3-0,001X1X2+0,001X1X3-0,014X2X3-0,001X1X2X3;

У06Р2= 0,33+0,ОЗЗх,-0,05х2+0,0075х3-0,ООЗХ1Х2-0,003х,хз-0,02х2хз+0,003х1х2хз;

УобР.з= 0,42+0,028x1-0,07 х2+0,073 х3+0,003 Х1Х2-0,018 х2х3.

Найденные доверительные интервалы позволили проверить на значимость коэффициенты модели. Полученные диагностические модели были проверены на адекватность по критерию Фишера.

Математическая модель абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК позволила построить зависимость изменения величины абразивного износа примененных в эксперименте образцов от скорости и угла атаки абразивного материала в относительных величинах (рис. 7,8): = —где:

Хтек - текущее значение соответствующего параметра; Хтах -максимальное значение соответствующего параметра.

Из рисунка 7 видно, как изменяется абразивный износ образца в зависимости от относительной массы абразивного материала при различных углах атаки. Абразивный износ образца силыю зависит от угла атаки и достигает максимального значения при 30°. Масса абразивного материала практически не влияет на абразивный износ образца, и зависимость выглядит в виде прямой линии. Из рисунка 8 видно, как изменяется абразивный износ образца в зависимости от относительной скорости абразивного материала. Зависимость носит практически линейный характер, и абразивный износ образца меняется только от скорости и, как уже выше отмечалось, мало зависит от изменения величины (массы) абразивного материала.

После проведения необходимых расчетов получены уравнения математической модели абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК:

У= 0,32+0,031хг0,049х2+0,074х3

Предложенная математическая модель абразивного износа Y учитывает эксплуатационные параметры современных судовых СОД, работающих на тяжелых сортах топлива, и комплекс физико-механических свойств изнашиваемых материалов. Математическая модель абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК позволила определить: абразивный износ, например, СА ТК типа NR (MAN Diesel&Turbo) составляет примерно 150 грамм за год работы ДГ, что согласуется с наблюдаемым абразивным износом в период эксплуатации ТК судовых СОД; основные значимые факторы являются угол атаки и скорость абразивного материала, масса абразивного материала практически не влияет на абразивный износ образца (рис.7,8).

.0,6

30 — А - 45 —©— 60

А---------------------і-----"А

1 ' ! і і ; ! ; 0.4 t----г----t---1----------т--1--1

1 G-

0,40 0.50 0.60 0,70 0.80 0,90 1,00 _Относительная масса абраэтаного материала и?

Рисунок 7 - Зависимость абразивного износа образца №1 от относительной массы абразивного материала при различных углах атаки

Рисунок 8 - Зависимость абразивного износа образца №1 от относительной скорости абразивного материала при различных массах абразивов

В четвертой главе представлено исследование влияния различных факторов на величину абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК на экспериментальной установке при следующих условиях: масса абразивного материала в опыте - 1кг; сечение струи сопла перед образцом - 1 Омм2; давление, подаваемое на установку -3 бар; скорость абразивных частиц в потоке рабочей среды в опыте 350 м/с; длительность опыта - 1 минута; изменения угла атаки в опыте от 5 до 60°.

На рисунке 9, в качестве примера, показаны обобщенные зависимости абразивного износа образца №1 от угла атаки при различных абразивах. Для качественного сравнения с полученными результатами на рисунке 9 приведена ос-редненная зависимость Алферова Н.С. абразивного износа никелевой стали. Из рисунка 8 видно, что абразивный износ образца №1 в зависимости от абразивного материала сильно отличается: электрокорунд (АЬОз) - 0,48 грамм; крошка -0,05 грамм. Изменения абразивного износа образца №1, указанные на рисунке 9, зависимостей / при использовании абразивного материала электрокорунда (А1203) имеет более интенсивное увеличение абразивного износа при углах атаки от 5 до 30°, чем при использовании абразивного материала крошки зависимостей 2, которые стремятся к прямой линии. Зависимость 3, указанная на рисунке 9, имеет примерно одинаковый характер изменения абразивного износа образца №1 при использовании абразивного материала угля, взятой с экспериментальных исследований на твердом топливе.

у'

✓ / j І

у

я' і

О 1С 20 30 43 50 60

угол а, град.

Масса абразивного материала (кг):

I. Электрокорунд (А1;0]1—>— о.оооз 2. Твердый материал 3. Зола твердого топлива:

I ■ 0.0005 (ореховая крошка):|--а--0.0003_ (упм> АпсЬепов Н.С.: 0,0007 I—в- 0.0007 ' —

Рисунок 9 - Зависимость абразивного износа образца №1 от угла атаки при различных абразивных материалах

Из выполненных исследований на экспериментальной установке видно, что максимальный абразивный износ образцов происходит при углах близких к 30° с использованием абразивного материала как электрокорунда (А1203), так и крошки; наибольшему абразивному износу подвержен образец №3, что согласуется с его более низким прочностным качеством в сравнении с образцами №1,2; свойства крошки менее абразивны, чем твердые частицы отработавших газов СОД, работающего на тяжелом топливе, что соответствует её наименьшей твердости по Бринеллю и шкале Мооса; величина абразивного износа образцов при углах атаки от 5 до 30° составляет с использованием в качестве абразивного материала: электрокорунд (А1203) - 0,35 грамма; крошка - 0,02 грамма.

По результатам выполненных в работе экспериментальных исследований определены новые значения коэффициентов о^, <?„, о}>. полуэмпирической зависимости (Алферов Н.С, ЦКТИ) абразивного износа элементов ТК судовых СОД:

У = 0,005ЛтгдГ1гфг<ртф,-кД где: У-абразивный износ от взаимодействия твердых частиц абразива с поверхностью образца за время т, мк/мм2; 0,005 - экспериментальный коэффициент, компенсирующий недостаточно полный учет особенностей соударения частиц и образцов; А- коэффициент удельного абразивного износа, учитывающий абразивные свойства абразива, мк/мм2 час; рг - плотность отработавших газов СОД, кг/м3; <рс- коэффициент, учитывающий изменение величины абразивного износа в зависимости от износостойкости материала; С:- абсолютная скорость твердых частиц отработавших газах, м/с; ос- коэффициент, учитывающий изменение абразивного износа от угла атаки; коэффициент, учитывающий изменение величины абразивного износа в зависимости от размеров и массы абразива; к3-концентрация твердых веществ в отработавших газах (кг твердых частиц/ кг отработавшего газа); Ь - коэффициент, учитывающий геометрию деталей ТК.

Коэффициенты Оа, ф^, (рт определяются на основании результатов, полученных на экспериментальной установке (рис.8). Получены зависимости для коэффициентов е>г, ор. от угла атаки, массы абразива и износостойкости:

- ©Г = -0,0002а + 1,0175, при изменении износостойкости а в пределах от 100 до 250НВ;

- = 62.5)75 + 0,952, при изменении массы абразивного материала от 0,0003 до 0,0007 кг;

- сГ = 0,000012«3 - 0,0016491а2 + 0,194206, при изменении а от 5 до

60°,где: <5=—,

где у - абразивный износ одного образца;)• - максимальный абразивный износ всех исследуемых образцов.

Проведенные исследования физико-механических свойств твердых частиц отработавших газов СОД показали, что эти частицы имеют высокую твердость, которая значительно превышает твердость материала деталей ТК. Таким образом, увеличение износостойкости материала приведет только лишь к удорожанию изготовления деталей ТК. Целесообразно рекомендовать эффективный способ очистки проточной части и конструктивные меры изменения угла установки лопатки СА РОС турбины ТК.

Исследования, проводимые в лабораторных условиях на экспериментальной установке, показали, что максимальный износ рассматриваемых образцов происходит при углах близких к 30°. Исследования показали, что у СА ТК МЕТ типа SRC фирмы Mitsubishi абразивный износ элементов проточной части РОС турбины при наработке 2500 часов отсутствует. Угол установки лопаток СА близок к 45°, в то время как на СА типа NR угол установки лопатки 30° и абразивный износ проявляется при наработке 3000 часов. Таким образом, уменьшение абразивного износа проточной части РОС турбин ТК возможно за счет применения специальных конструктивных мер - изменение геометрии СА. Исследования, проводимые на действующем оборудовании показали, что в течение эксплуатационного периода от 800 до 1500 часов наработки СОД 6EY18AL (Yanmar) на тяжелом топливе ISO-F-RMG380 происходит загрязнение (нагарообразование) элементов проточной части РОС турбины ТК от 2 до 4 мм (рис.1,г).

Таким образом, исходя из результатов исследования, полученных на экспериментальной установке, по оценке влияния различных факторов на абразивный износ элементов РОС турбин ТК можно дать следующие рекомендации по очистке сухими чистящими средствами проточной части РОС турбинам ТК:

1. Нагрузка на двигатель должна составлять не менее 75% от номинальной.

2. Использовать для очистки только откалиброванную крошку, диаметр не более (2-3)мм.

3. Периодичность очистки каждые 75-100 часов эксплуатации ДГ. Интервал должен соблюдаться, чтобы не создавать чрезмерного абразивного износа или, наоборот, не привести к усиленному загрязнению.

4. Объем подаваемой крошки за один раз процедуры очистки не более 0,5 кг.

В качестве сухих чистящих средств можно рекомендовать следующие материалы: крошка скорлупы орехов, которая широко применяется для очистки осевых турбин ТК МОД; косточковая крошка плодовых деревьев.

Абразивный износ СА РОС турбин ТК в случае применения сухих чистящих средств будет сопоставим с абразивным износом СА связанным с наличием в отработавших газах СОД твердых частиц примерно через 110 тыс. часов эксплуатации дизеля. Применение очистки сухими чистящими средствами (крошка) лопаточного аппарата РОС турбин ТК приведет к поддержанию КПД ТК и удельного расхода топлива дизеля в заявленных инструкциями значениях.

Таким образом, на основании исследований выполненных на действующем оборудовании и в лабораторных условиях, можно рекомендовать следующие мероприятия по снижению абразивного износа и очистки проточной части РОС турбин ТК судовых дизелей:

- целесообразно РОС турбины ТК с СА изготавливать с применением более дешевых материалов;

- РОС турбины ТК с СА, должны иметь угол установки лопатки близкий к углам 45-60°;

- проводить очистку сухими чистящими средствами (крошка) проточной части РОС турбин СОД, работающего на тяжелом топливе.

Заключение

На основании выполненных исследований абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК сделаны выводы и получены следующие научные и практические результаты:

1. Эксплуатация судовых дизелей на тяжелом топливе приводит к тому, что в продуктах сгорания образуются твердые взвешенные частицы. Эти частицы имеют различные размеры и форму, скорости и физические свойства. Присутствие твердых (абразивных) частиц в движущемся потоке отработавших газов (двух-компонентная рабочая среда) дизеля при соприкосновении с поверхностью деталей проточной части РОС турбины ТК вызывает их повышенный абразивный износ. Характерной особенностью ДГ является то, что основные режимы эксплуатации приходятся на частичные нагрузки (30-60% от номинальной нагрузки). Современные судовые дизеля, в том числе и СОД, в основном работают на тяжелых сортах топлива вязкостью 380 сСт, что, несомненно, приводит к снижению технико-экономических параметров работы, как самого дизеля, так и ТК.

2. Экспериментальное определение состава твердых частиц в отработавших газах выполнено на современном СОД фирмы Уапшаг 6ЕУ18АЬ, работающим на тяжелом топливе ТЗО-Р-ЯМО 380. Установлено, что

- при режиме работы СОД на нагрузках от 75% до 90% от номинальной содержание и размеры твердых частиц в отработавших газах дизеля минимальные; это обусловлено тем, что при такой нагрузке условия сгорания топлива оптимальные;

- при наименьшей нагрузке дизеля 25% от номинальной количество и размер твердых частиц максимальны и достигают 2мм;

- зафиксированные твердые (абразивные) частицы с помощью специального зонда, входящие в состав отработавших газов СОД, имеют высокую твердость, которая составила более 470НВ.

3. Произведено исследование влияния различных факторов (угла атаки, скорости и массы абразивного материала) на абразивный износ образцов с помо-

щыо теории планирования эксперимента. Установлено, что основными значимыми факторами являются угол атаки и скорость движения абразивного материала.

4. Математическая модель абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК позволяет выполнить оценку параметров, влияющих на абразивный износ, твердыми частицами отработавших газов дизеля и учитывает эксплуатационные параметры современных судовых СОД, работающих на тяжелых сортах топлива, и комплекс физико-механических свойств изнашиваемых материалов.

5. Выполнено экспериментальное исследование влияния различных факторов на абразивный износ элементов проточной части РОС турбин ТК судовых СОД на экспериментальной установке. Установлено, что:

- максимальный абразивный износ образцов происходит при углах близких к 30° с использованием абразивного материала как электрокорунда (А1203), так и сухих чистящих средств (крошка);

- сухие чистящие средства (крошка) обладают существенно меньшими абразивными свойствами, чем продукт недожженного топлива (А1203);

- зависимость изменения абразивного износа образцов от углах атаки с использованием в качестве абразивного материала электрокорунда (А1203) имеет ярко выраженный характер по сравнению с сухим чистящим средством (крошка), зависимость которой стремится к прямой линии.

6. Полученные новые значения коэффициентов, учитывающих изменение абразивного износа в зависимости от износостойкости материала от размера абразива и угла атаки - о^.о^.ф^на основании полуэмпирической зависимости абразивного износа элементов ТК судовых СОД, соответствуют полученным данным математической модели абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК.

7. Рекомендовано производить конструктивное изменение элементов проточной части РОС турбин ТК судовых СОД, работающих на тяжелом топливе. Установлено, что СА, угол установки лопатки, у которого стремится к 45°, имеет меньший абразивный износ, чем тот, у которого 35°.

8. Рекомендовать применение очистки проточной части с газовой стороны, что приведёт РОС турбин ТК к поддержанию КПД ТК и удельного расхода топлива в заявленных инструкциями значениях с периодичностью 100 часов эксплуатации ДГ.

9. Предложенные и обоснованные рекомендации по изменению углов установки сопловых лопаток и применению очистки проточной части сухими чистящими средствами РОС турбин ТК СОД в настоящее время согласовываются с фирмой изготовителем "MAN Diesel & Turbo" и судоходной компанией ОАО «СКФ - Новошип».

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК Миыобрнауки РФ

1. Герасиди, В.В. Исследование механизма износа деталей радиально-осевых турбин турбокомпрессоров на основании физического эксперимента / Н.И. Николаев, В.В. Герасиди // Эксплуатация морского транспорта. - СПб.: ГМА им. адм. С.О. Макарова - 2012 - №1- С. 44-45 (авт. 50%).

2. Герасиди, В.В. Исследование твердых частиц в отработавших газах судового среднеоборотного двигателя / Н.И. Николаев, В.В. Герасиди // Известия ВУЗов. Сев. Кавк регион. Техн. науки. - приложение к № 4, 2012..- С. 28-42 (авт.50%).

3. Гграсиди, В.В. Применение твердых материалов для очистки проточной части турбокомпрессоров / Н.И.Николаев, В.В.Герасиди, А.Н.Жук// Двигателе-строение. № 3.- СПб.: ООО «ЦНИДИ-Экосервис», 2012.- С. 31-34 (авт.40%).

Прочие публикации

4. Герасиди, В.В. Анализ нагрузки и расхода топлива судовых дизель-генераторов в широком диапазоне режимов работы / Н.И. Николаев, В.В. Герасиди //Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России: мат. конф. В 2 ч. 4.2 / Восьмая региональная науч.-техн. Конф. 2009г.-Новороссийск: МГА им. Ф.Ф. Ушакова, 2010.-С.41 (авт.50%).

5. Герасиди, В.В. Исследование и анализ состава твердых (абразивных) частиц в отработавших газах судового среднеоборотного двигателя / Н.И. Николаев, В .А. Савченко, С.Х. Шмелев, А.Н. Жук, В.В. Герасиди // отчет о НИР-СТД/Н-2011, per. № 01201352127, инв.№ 02201355475/ Новороссийск: ГМУ им. Ф.Ф. Ушакова, С.53 (авт.30%).

6. Герасиди, В.В. Влияние использование тяжелого топлива в судовых двигателях на износ соплового аппарата газотурбонагнетателя /В.В.Герасиди, А.Н. Жук // [Электронный ресурс] / ФГОУВПО «МГТУ». электрон, текст, дан. (30 Мб) - Мурманск: МГТУ, 2011. - Зс. (авт 60%).

7. Герасиди, В.В. Анализ процессов износа проточной части радиально-осевых турбин турбокомпрессоров судовых дизелей на основе физического эксперимента / В.В. Герасиди // Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России / II межвузовская научно-практическая конференция студентов и аспирантов. Конф. 2011г.- Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций, 2011.-С.95 (авт.100%).

8. Герасиди, В.В. Исследование влияния твёрдых частиц отработавших газов судового среднеоборотного двигателя на износ деталей проточной части тур-

бин турбокомпрессора / Н.И. Николаев, В.В. Герасиди, А.Н. Жук // Актуальные проблемы морской энергетики: материалы Всероссийской межотраслевой научно-технической конференции. - СПб.: изд-во СПб ГМТУ, 2012- С. 134-136 (авт.40%).

9. Герасиди, В.В. Экспериментальное исследование влияния различных факторов на абразивный износ элементов проточной части радиально-осевых турбин турбокомпрессоров / Н.И. Николаев, В.А. Савченко, С.Х. Шмелев, А.Н. Жук, В.В. Герасиди // отчет о НИР-СТД/Н-2012, per. №01201269431, инв.№ 02201262039/ Новороссийск: ГМУ им. Ф.Ф. Ушакова, С.43 (авт.30%).

10. Герасиди, В.В. Использование основ теории планирования эксперимента в исследовании абразивного износа элементов проточной части радиально-осевых турбин турбокомпрессоров / В.В. Герасиди // Актуальные проблемы морской энергетики: материалы Всероссийской межотраслевой научно-технической конференции. - СПб.: изд-во СПб ГМТУ, 2013.- С. 111-113 (авт. 100%).

Формат 60x84 1/16. Тираж 100. Заказ 2521. Отпечатано в редакционно-нздательском отделе ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф.Ушакова» 353918, г. Новороссийск, пр. Ленина, 93

ФГБОУ ВПО «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АДМИРАЛА Ф.Ф. УШАКОВА»

На правах рукописи

04201359627 ^^^^

Герасиди Виктор Васильевич

Совершенствование эксплуатации судовых среднеоборотных двигателей на основе исследования влияния различных факторов на абразивный износ элементов проточной части радиально-осевых турбин турбокомпрессоров

Специальность 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы

(главные и вспомогательные)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

Н. И. Николаев

Новороссийск — 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.................................................................................... 5

Глава 1. Анализ условий технической эксплуатации турбокомпрессоров современных судовых среднеоборотных двигателей, работающих на тяжелых сортах топлива.

Постановка задачи исследования................................................................ 11

1.1. Анализ условий эксплуатации турбокомпрессоров судовых среднеоборотных двигателей........................................................................ 11

1.2. Методы исследования физико-механического износа элементов энергетического оборудования............................................................... 21

1.3. Постановка задачи исследования.................................................. 28

Глава 2. Экспериментальная установка, объекты и методика исследования абразивного износа деталей турбокомпрессоров судовых среднеоборотных двигателей................................................ 30

2.1. Турбокомпрессоры судовых среднеоборотных двигателей.................. 30

2.2. Экспериментальная установка и устройства для исследования абразивного износа проточной части радиально-осевых турбин турбокомпрессоров.......................................................................................... 33

2.3. Методики исследования состава отработавших газов дизеля и абразивного износа деталей турбокомпрессоров на

экспериментальной установке................................................................ 39

Глава 3. Условия эксплуатации судовых среднеоборотных двигателей и математическая модель абразивного износа элементов проточной

части радиально-осевых турбин турбокомпрессоров.......................... 47

3.1. Условия эксплуатации судовых среднеоборотных двигателей............. 48

3.2. Определение параметров твердых частиц в отработавших газах

судового среднеоборотного двигателя................................................. 58

3.3. Физико-механические свойства твердых частиц отработавших газов дизеля и абразивных материалов....................................................... 64

3.4. Математическая модель абразивного износа элементов проточной части радиально-осевых турбин турбокомпрессоров на основе теории планирования эксперимента.......................................................................... 67

Глава 4. Совершенствование эксплуатации среднеоборотных двигателей на основе экспериментального исследования влияния различных факторов на абразивный износ элементов проточной части радиалыю-осевых турбин

турбокомпрессоров.............................................................. 73

4.1. Исследование влияния различных факторов на величину абразивного износа элементов проточной части радиально-осевых турбин турбокомпрессоров на экспериментальной установке............................. 73

4.2. Определение коэффициентов определяющих зависимость величины абразивного износа элементов проточной части турбокомпрессоров от физико-механических свойств абразивных материалов и концентрации

твердых частиц в отработавших газах судовых среднеоборотных

двигателей............................................................................................................. 78

4.3. Способы снижения величины абразивного износа элементов

проточной части радиально-осевой турбины турбокомпрессоров................. 87

4.4. Совершенствование эксплуатации современных среднеоборотных двигателей за счет применения твердых материалов для очистки

проточной части радиально-осевых турбин турбокомпрессоров............... 92

Заключение..................................................................................................................................................................99

Список сокращений и условных обозначений........................................................................102

Список литературы............................................................................................................................................103

Приложение 1. Объекты, специальные устройства и материалы

применяемые в экспериментальных исследований................................. 109

Приложение 2. Условия эксплуатации среднеоборотных двигателей и некоторые результаты расчетов математической модели абразивного износа элементов проточной части радиально-осевых турбин

турбокомпрессоров на основе теории планирования эксперимент.................. 117

Приложение 3. Результаты экспериментальных исследования абразивного износа элементов проточной части радиально-осевых турбин

турбокомпрессоров среднеоборотных двигателей................................... 126

Введение

Актуальность темы исследования. На морских судах находят широкое применение в качестве главных и вспомогательных двигателей среднеоборотные двигатели (СОД), которые составляют более 50% от общей суммарной мощности, установленных на судах дизелей ("Yanmar", "MAN Diesel&Turbo", "Wartsila" и др.). В качестве агрегатов наддува для этих дизелей в большинстве случаев используются турбокомпрессоры (ТК) с радиально-осевой (РОС) турбиной производства компаний "ABB Turbo System", "MAN Diesel & Turbo", "Mitsubishi heavy industries" и т.д.

В течение последних десятилетий ведущими двигателестроительными компаниями велась интенсивная работа по переводу судовых дизелей на тяжелые сорта топлива и снижению эмиссии отработавших газов в связи с растущими требованиями защиты окружающей среды. Современные судовые СОД в основном работают на тяжелых сортах топлива вязкостью 380 сСт, что, несомненно, оказывает заметное влияние на работу как самого дизеля, так и ТК. Опыт эксплуатации показывает, что в связи с применением тяжелого топлива в СОД элементы проточной части РОС турбины ТК подвергаются абразивному износу под воздействием твердых частиц, которые содержатся в отработавших газах дизеля. Эффективность и надежность работы ТК во многом определяет технико-экономические показатели и надежность судовых дизельных установок. Подтверждение этому находится в работах отечественных ученых и инженеров, в докладах на конгрессах двигателестроения CIMAC за последние 10 лет, в которых сообщается о незапланированных простоях в работе судовых дизелей из-за большого количества неисправностей и отказов ТК. Применение тяжелых сортов топлива на судах морского и речного транспорта обуславливает необходи-

мость и актуальность исследования механизма воздействия твердых частиц отработавших газов СОД на элементы проточной части турбин ТК, а также обоснование возможности применения сухих чистящих средств для очистки проточной части РОС турбин ТК СОД при их эксплуатации на тяжелом топливе.

Степень её разработанности. Обзор и анализ литературных источников, посвященных изучению абразивного износа элементов энергетического оборудования, выполненные за последние десятки лет показывают, что изучению абразивного износа элементов РОС турбин уделено мало внимания. Экспериментальные исследования проводились, в основном, для деталей судовых дизелей и их элементов. В исследованиях Л.И. Погодаева разрабатываются структурно-энергетические модели, выдвигаются основные гипотезы о причинах эрозии таких деталей как выпускные клапана судовых дизелей. В работе Н.С. Алферова рассматриваются исследования абразивного износа элементов энергетического оборудования при работе на твердом топливе и топливе вязкостью до 80 сСт. Большая часть литературных источников посвящена вопросам теоретических методов исследования абразивного износа деталей ТК. В исследованиях ученых ГМУ имени адмирала Ф.Ф. Ушакова рассмотрена математическая модель движения двухкомпонентной рабочей среды отработавших газов дизеля с твердыми частицами во входном устройстве (ВУ) турбины ТК. Модель позволила оценить влияние большого числа различных факторов: размера и формы частиц; степень упругости соударения частиц с твердой стенкой канала; характер распределения и скорость частиц во входном сечении и др. Определены физико-химические свойства материалов входных устройств и сопловых аппаратов (СА) РОС турбин ТК. В трудах Г.Ш. Розенберга рассматривается эрозия направляющих и рабочих лопаток центростремительных газовых турбин, проводится обобщение выполненных ранее экспериментальных и теоретических методов исследования абразивного износа деталей ТК при работе на топливе вязкостью до 80 сСт.

Однако в современных судовых СОД используется тяжелое топливо вязкостью 380сСт. В связи с этим в отработавших газах дизеля присутствуют твердые

(абразивные) частицы высокой твердости, которые изнашивают элементы проточной части РОС турбины ТК. Это приводит к снижению эффективности судовых дизелей из-за частой замены, например, СА ТК через 2000-4000 часов работы.

На данный момент нет опубликованных работ, посвященных экспериментальному определению количественного и качественного состава твердых (абразивных) частиц в отработавших газах СОД в эксплуатации на судне и стенде, и по оценке влияния различных эксплуатационных факторов на величину абразивного износа элементов проточной части РОС ТК в лабораторных условиях.

Цели и задачи. Цель диссертационной работы - совершенствование эксплуатации судовых среднеоборотных двигателей на основе исследования влияния различных факторов на величину абразивного износа элементов проточной части радиально-осевых турбин турбокомпрессоров.

Достижение поставленной цели осуществляется на основе решения следующих задач:

- анализ условий и проблем эксплуатации ТК с РОС турбиной судовых

СОД;

- разработка устройств и экспериментального стенда для исследования параметров твердых частиц в отработавших газах СОД и влияния основных физико-механических и кинематических характеристик твердых материалов на величину абразивного износа деталей проточной части РОС турбин ТК;

- определение состава твердых (абразивных) частиц в отработавших газах судовых СОД в эксплуатации;

- разработка математической модели абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК на основе теории планирования эксперимента;

- проведение экспериментальных исследований влияния на абразивный износ деталей проточной части РОС газовых турбин ТК твердых материалов с различными физико-механическими и кинематическими характеристиками;

- разработка рекомендаций по очистке проточной части РОС турбин сухими чистящими средствами СОД, работающих на тяжелом топливе.

Научная новизна заключается:

1. В определении параметров твердых частиц в отработавших газах в коллекторе отработавших газов судовых СОД, работающих на тяжелом топливе 180-Р-ИМО 380 в широком диапазоне изменения нагрузок.

2. В оценке влияния угла атаки, скорости и массы абразивных частиц на процесс изнашивания элементов проточной части РОС турбин ТК судовых дизелей.

3. В разработке математической модели абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что

- использованы основы теории планирования эксперимента в исследовании абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК;

- разработана математическая модель абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК на основе теории планирования эксперимента;

- определен количественный и качественный состав твердых частиц в отработавших газах судового СОД, работающего на тяжелом топливе 180-Р-ИУЮ 380 в широком диапазоне изменения нагрузок;

- предложен комплексный подход, позволяющий анализировать и прогнозировать влияние твердых материалов на абразивный износ элементов проточной части турбин ТК современных судовых дизелей;

- предложены рекомендации для снижения величины абразивного износа проточной части РОС турбины ТК путем конструкционного изменения соплового аппарата;

- обосновано применение сухих твердых веществ для очистки проточной части РОС турбины ТК.

Методология и методы исследования основываются на использовании экспериментальных методов (физико-механического, аэродинамического) исследования. Для решения поставленной цели и задач использованы в математических моделях - теория планирования эксперимента; в экспериментальных исследова-

ниях - установка и приборы, обеспечивающие высокую точность измерений, достаточный объем экспериментальных данных.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:

- результаты экспериментальных исследований определения состава твердых (абразивных) частиц в отработавших газах судового СОД, работающего на тяжелом топливе ^О-Р-ЕШСт 380;

- математическая модель абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК на основе теории планирования эксперимента;

- результаты экспериментальных исследований процесса абразивного износа материалов проточной части РОС турбин ТК судовых дизелей;

- рекомендации по совершенствованию технической эксплуатации СОД путем изменения геометрии СА и применению очистки проточной части РОС турбин сухими чистящими средствами.

Степень достоверности и апробации результатов достигается комплексным использованием известных, проверенных практикой методов проведения эксперимента; теорией подобия протекания процессов в различных средах; проведением натурных испытаний; применением точных приборов; математической моделью, разработанной на основе теории планирования эксперимента, проверкой адекватности модели с результатами эксплуатации ТК с РОС турбинами СОД, работающих на тяжелом топливе.

Материалы диссертации докладывались на:

- научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Морской государственной академии им. Ф.Ф.Ушакова, г. Новороссийск, 2009-2012гг.;

- конференции «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России / II межвузовская научно-практическая конференция студентов и аспирантов», Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций, 2011г.;

- конференциях «Молодая наука 2009, 2011» Морской государственной академии имени адмирала Ф.Ф. Ушакова (г. Новороссийск);

- международной научно-технической конференции "Наука и образование-2011", г. Мурманск, 2011 г;

- всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы морской энергетики», Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, 2012, 2013гг.

Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 10 научных работах, все по теме диссертации. Из них 6 статей, 2 тезиса доклада, 2 отчет по НИР, 2 работы выполнены без соавторов, авторская доля в остальных от 30% до 60%. В рецензируемых научных журналах и изданиях рекомендованных ВАК РФ опубликовано 3 работы, авторская доля составляет от 40% до 50%.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка (60 наименований) и приложений. Основное содержание изложено на 130 страницах и включает 55 рисунков и 20 таблиц. Объем приложений 22 страницы.

Глава 1. Анализ условий технической эксплуатации турбокомпрессоров современных судовых среднеоборотных двигателей, работающих на тяжелых сортах топлива. Постановка задачи исследования

1.1. Анализ условий эксплуатации турбокомпрессоров судовых

среднеоборотных двигателей

Анализ условий эксплуатации современных судовых дизелей показывает,

что

- в качестве агрегатов наддува судовых СОД применяются ТК с РОС турбинами;

- в процессе эксплуатации техническое состояние ТК ухудшается; это неизбежно приводит к изменению основных показателей работы СОД: повышается температуры отработавших газов; уменьшается давление наддувочного воздуха; увеличивается удельный расход топлива [2,30,46];

- современные судовые дизеля, в том числе и СОД, в основном работают на тяжелых сортах топлива вязкостью 380 сСт, что, несомненно, оказывает заметное влияние на работу как самого дизеля, так и ТК [27]. Так же следует отметить, что качество используемого топлива постоянно снижается, несмотря на постоянный рост его стоимости.

В таблице 1.1 приведено сравнение свойств топлива, используемого с 2000 до 2009 годов, и применяемых в настоящее время [52]. Показано влияние применяемого в настоящее время топлива на работу двигателя.

Таблица 1.1

Свойства тяжелых топлив [52]

Параметры, размерность Исп. топливо (20002009гг.) Исп. топливо после 2010-н.в. К чему может привести применения тяжелого топлива

Температура, °С: перекачки очистки впрыска 40 95 110-120 50 98 115-140 Для будущих топлив, повышенной вязкости необходимо увеличение температуры нагрева топлива

Плотность, кг/л: при 15°С 0,98 0,99 Удаление воды становится более трудным

Вредный остаток углерода, % 6-12 15-22 Повышение риска загрязнения элементов двигателя. Увеличение задержки сгорания

Асфальтены, % 4-8 10-13 Твердый асфальтен способст�