Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы эффективности исполь зования топливно-энергетических ресурсов на судах внутреннего и смешанного плава ния. задачи исследования
1.1. Краткий обзор состояния проблемы
1.2. Постановка задач и исследования
Глава 2. Исследование эксплуатационных режимов главных двигателей судов внутреннего и смешанного плавания
2.1. Условия эксплуатации судов внутреннего и смешанного плавания
2.2. Анализ условий эксплуатации главных судовых двигателей
2.3. Исследование эксплуатационных режимов главных двигателей сухогрузных судов внутреннего плавания
2.4. Исследование эксплуатационных режимов главных двигателей судов смешанного плавания
2.5. Исследование эксплуатационных режимов главных двигателей пассажирских судов внутреннего плавания
2.6. Оценка технического состояния гидромеханического комплекса в процессе эксплуатации
2.7. Выводы
Глава 3. Метод получения универсальных характе ристик судовых дизелей
3.1. Анализ существующих методов получения универ сальных характеристик
3.2. Разработка расчётно-экспериментального метода получения универсальных характеристик дизелей
3.3. Реализация метода и некоторые варианты практического применения универсальных характеристик дизелей
3.4. Выводы
Глава 4. Настройка главного двигателя по критерию эксплуатационной топливной экономично сти
4.1. Предпосылки решения задачи настройки
4.2. Исследование влияния параметров рабочего процесса дизеля на конфигурацию универсальной характеристики
4.3. Постановка задачи настройки
4.4. Математическая формулировка и реализация задачи настройки
4.5. Выводы
Глава 5. Методы согласования характеристик элементов судового гидромеханического комплекса
5.1. Конкретизация задачи согласования и предпосылки её решения
5.2. Постановка задачи согласования
5.3. Метод согласования характеристик элементов гидромеханического комплекса путём настройки главных двигателей
5.4. Метод согласования характеристик элементов гидромеханического комплекса путём выбора эксплуатационных режимов главных двигателей
5.5. Выводы
Глава 6. Метод выбора оптимального варианта гид- sas^f ромеханического комплекса 269
6.1. Предпосылки решения задачи выбора оптимального варианта гидромеханического комплекса 269
6.2. Основные методические принципы выбора 279
6.3. Сравнительный анализ показателей выбранных двигателей как независимых агрегатов 282
6.4. Технико-экономическое сравнение вариантов гидромеханического комплекса с рассматриваемыми главными двигателями, передачами и гребными винтами 284
6.5. Технико-экономическое сравнение вариантов гидромеханического комплекса по расходам топлива и масла на единицу транспортной работы 288
6.6. Математическая формулировка и реализация задачи выбора 290
6.7. Выводы 299
Заключение
Список литературы
Приложения
- Постановка задач и исследования
- Анализ условий эксплуатации главных судовых двигателей
- Разработка расчётно-экспериментального метода получения универсальных характеристик дизелей
- Исследование влияния параметров рабочего процесса дизеля на конфигурацию универсальной характеристики
Введение к работе
В современных экономических условиях конкурентоспособность водного транспорта России определяющим образом зависит от расходов на топливо, доля которых по имеющимся оценкам доходит до 60-70% от общих затрат на содержание флота. При существующих тенденциях роста энерговооружённости судов, сокращения средств на ремонтные работы, возрастания величины топливной составляющей в эксплуатационных расходах вопросы повышения технико-экономической эффективности эксплуатационных режимов судовых гидромеханических комплексов становятся особенно актуальными.
Проблема повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов имеет многоаспектный характер, она затрагивает теоретические, технические и организационные вопросы проектирования и эксплуатации судовых гидромеханических комплексов и их элементов.
Следует отметить, что высокие технико-экономические показатели каждого элемента ещё не гарантируют высокую эффективность гидромеханического комплекса в целом, особенно в неспецификационных условиях и на частичных режимах. Анализ результатов выполненных исследований свидетельствует о том, что систематизированные данные по эксплуатационным режимам главных двигателей имеются для морских транспорт-< ных, пассажирских, промысловых судов. Подобные материалы для судов внутреннего и смешанного плавания в литературе отсутствуют, что не позволяет оценивать качество эксплуатации главных энергетических установок и обеспечивать обоснованность проектных решений при их создании. Объективная оценка фактических режимных показателей главных двигателей указанных судов возможна лишь на основе результатов специально проведённого исследования.
Одним из принципиальных аспектов решения рассматриваемой проблемы является повышение достоверности оценки расхода топлива глав-
ных двигателей на любых эксплуатационных режимах. В качестве инструментов такой оценки целесообразно использование универсальных характеристик, которое до сих пор сдерживается трудностями их получения. В связи с этим существует необходимость в разработке удобного для практики метода, который позволял бы получать универсальные характеристики с допустимой для практики погрешностью, за короткое время, при малой трудоёмкости проведения испытаний.
Технико-экономическая эффективность эксплуатационных режимов гидромеханического комплекса в значительной степени обусловлена выбором параметров корпуса судна, движителя, передачи, главного двигателя и зависит от согласованности их характеристик. Поиск оптимального варианта такого согласования является одной из основных задач, решаемых в процессе эксплуатации судна и при его проектировании.
Решение проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на флоте неразрывно связано с повышением эффективности эксплуатации судовых двигателей как элементов гидромеханических комплексов и в этом смысле имеющиеся резервы нельзя считать полностью исчерпанными. Одним из таких резервов является настройка дизелей по критерию топливной экономичности применительно к конкретным условиям эксплуатации, в результате которой осуществляется целенаправленная корректировка конфигурации универсальных характеристик. Другой резерв состоит * в рациональном выборе режимов главных двигателей с целью обеспечения экономичного хода судна в заданном рейсе. В настоящее время при решении подобных задач возникают принципиальные затруднения, связанные с некорректной оценкой расхода топлива в результате изменения технического состояния главного двигателя, а также воздействия на судно внешних эксплуатационных факторов.
В связи с современной тенденцией создания оптимальных судов для конкретных линий одним из наиболее важных является решение вопроса
выбора рационального варианта гидромеханического комплекса. Этот выбор непосредственно связан с решением проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов и актуален с точки зрения обеспечения рентабельности перевозок. Вместе с тем процедура выбора весьма трудоёмка, ибо обусловлена необходимостью проведения многовариантных проработок с оперативной оценкой наиболее приемлемых решений на стадиях проектирования комплекса, его модификации или модернизации. Принимаемые при такой оценке проектные решения будут обоснованными и объективными в том случае, если они базируются на результатах анализа данных по эксплуатации судов и на результатах специально проведённых исследований.
Перечисленные вопросы являются актуальными, представляют значительный практический интерес, но до настоящего времени не получили должного решения.
Диссертационная работа посвящена комплексному исследованию указанных вопросов. Её цель состоит в разработке методологии повышения эффективности эксплуатационных режимов судовых гидромеханических комплексов на основе рационального использования топливно-энергетических ресурсов, а также применения полученных результатов для решения практических задач в процессе доводки дизелей, проектирования и эксплуатации судов внутреннего и смешанного плавания.
Достижение цели исследования включает изучение современного состояния проблемы на основе анализа научных публикаций по рассматриваемой теме и предполагает решение следующих задач:
получение, обобщение и систематизацию количественных оценок фактических режимных показателей главных двигателей сухогрузных судов внутреннего плавания по типовым участкам судового хода;
определение закономерностей распределения значений эксплуатационной нагрузки и систематизацию режимных показателей главных
двигателей судов смешанного плавания и работающих в сфере их применения морских судов по типам, районам плавания и сезонам;
оценку, обобщение и систематизацию фактических значений режимных показателей нагрузки и частоты вращения главных двигателей речных пассажирских судов по отдельным участкам судового хода единой глубоководной системы европейской части России;
определение, обоснование и апробирование показателя эксплуатационно-технического состояния гидромеханических комплексов транспортных судов внутреннего плавания;
разработку рационального метода получения универсальных характеристик дизелей;
исследование влияния регулируемых параметров рабочего процесса дизеля на форму и расположение изопараметрических линий
удельного расхода топлива;
постановку и решение задачи настройки дизелей по критерию топливной экономичности в условиях эксплуатации;
разработку методов согласования характеристик элементов судового гидромеханического комплекса по критерию топливной экономичности на эксплуатационных режимах;
разработку метода выбора варианта судового гидромеханического комплекса, оптимального по согласованию характеристик его элементов
на наиболее вероятных эксплуатационных режимах с прогнозной оценкой технического состояния применительно к ожидаемым условиям эксплуатации.
Объекты исследования - гидромеханические комплексы грузовых и пассажирских судов внутреннего плавания, судов смешанного плавания и морских судов в различных условиях за период от двух до семи лет эксплуатации; дизельные двигатели в стендовых и судовых условиях.
Методы исследования. Экспериментальная часть исследований основывается на результатах пассивных натурных экспериментов, проведённых в процессе плановой эксплуатации судов внутреннего и смешанного плавания, а также на результатах стендовых испытаний дизелей. При проведении натурных испытаний использовалась современная электронно-измерительная аппаратура. Теоретическая часть работы выполнена с применением методов математической статистики, теории планирования эксперимента, оптимизации, гидродинамики судна и гребных винтов, рабочих процессов судовых дизелей, численного анализа и математического моделирования на ЭВМ. Достоверность предложенных методов и разработанных алгоритмов обеспечена большим объёмом экспериментальных данных, применением апробированных методик и использованием точной аппаратуры при проведении стендовых и натурных экспериментов; она проверена путём сравнения расчётных параметров с результатами натурных испытаний.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Систематизированные результаты исследований эксплуатационных режимов главных двигателей грузовых и пассажирских судов внутреннего плавания, судов смешанного плавания и работающих в сфере их применения морских судов.
Метод получения универсальных характеристик дизелей по расходу топлива при ограниченном объёме эксперимента.
Метод согласования характеристик элементов судового гидромеханического комплекса путём настройки дизелей по критерию топливной экономичности в наиболее вероятных условиях эксплуатации.
Метод согласования характеристик элементов судового гидромеханического комплекса путём выбора эксплуатационных режимов главных двигателей по критерию топливной экономичности с учётом воздействия эксплуатационных факторов при движении судна.
Метод выбора варианта гидромеханического комплекса, оптимального по согласованию характеристик его элементов на наиболее вероятных эксплуатационных режимах с прогнозной оценкой расхода топлива при изменении технического состояния.
Практическая реализация предложенных методов с разработкой алгоритмов и компьютерного программного обеспечения, а также с внедрением результатов в процессы доводки дизелей, эксплуатацию судов внутреннего и смешанного плавания, учебный процесс.
Постановка задач и исследования
Рассматриваемая проблема повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов на судах внутреннего и смешанного плавания имеет многоаспектный характер, она затрагивает технические и организационные вопросы проектирования и эксплуатации гидромеханических комплексов в специфических условиях рек и морей. Принципиально можно считать, что должна быть решена комплексная задача обеспечения оптимальных по топливной экономичности параметров корпуса судна, гребного винта, передачи и главного двигателя. Эта задача может быть формализована как задача математического программирования и в общем виде записана следующим образом [321]: минимизировать непрерывную функцию для выбранного критерия топливной экономичности, например, удельного расхода топлива при имеющихся гл ограничениях в виде равенств и (р - гл) ограничениях в виде неравенств - совокупность варьируемых параметров в n-мерном евклидовом пространстве, характеризующих, в соответствии с присвоенным индек сом, корпус судна (индекс К), гребной винт (В), передачу (П), главный двигатель (Д). Для решения сформулированной задачи необходимо комплексное исследование, которое, во-первых, должно определить количественные оценки фактических режимных показателей главных двигателей судов внутреннего и смешанного плавания; во-вторых, должно выявить критерий оценки взаимозависимости показателей эксплуатационных режимов, топливной экономичности и технического состояния гидромеханического комплекса и его элементов; в-третьих, должно обеспечить использование универсальных характеристик дизелей для оценки расхода топлива главных двигателей в процессе эксплуатации и для повышения достоверности прогнозирования топливной экономичности при проектировании гидромеханического комплекса; в-четвёртых, должно сформировать методологическую основу реализации настройки главных двигателей по критерию топливной экономичности в условиях эксплуатации с использованием универсальных характеристик по удельному расходу топлива; в-пятых, должно сформировать методологическую основу обеспечения оптимальных по топливной экономичности параметров гидромеханического комплекса на стадии проектирования и в процессе эксплуатации судна; в-шестых, должно быть направлено на реализацию процедуры выбора оптимального варианта гидромеханического комплекса на основе методологических принципов системного подхода с использованием результатов, полученных в данной диссертационной работе. В европейской части России создана единая глубоководная система (ЕГС), соединившая в воднотранспортный комплекс реки Волгу. Каму, Дон, Свирь, Неву и др. Таким образом, реализованы возможность организации транзитного межбассейнового судоходства и связь речных бассейнов с морями. В состав внутренних водных путей входят участки с естественным гидрологическим режимом, участки рек с зарегулированным стоком, водохранилища, озёра, шлюзованные каналы. В настоящее время гарантированная глубина судового хода ЕГС составляет 4,0 м, кроме участков от Городца до Нижнего Новгорода с глубиной 3,5 м и от Кочетовского гидроузла до порта Азов с глубиной 3,6 м. Перевозки грузов в сообщении река - море в настоящее время осуществляются специализированными судами, которые эксплуатируются в речных районах и, в зависимости от присвоенного им класса Регистра [202,201], в Каспийском, Азовском, Чёрном, Средиземном, Балтийском, Северном, Белом, Карском, Лаптевых, Восточно-Сибирском, Охотском, Японском морях. Плавание ССП допускается с ограничением волнения до 5-6 баллов и удалением от мест убежищ до 50...100 миль. Район плавания, конкретные трассы, ограничения по погоде зависят от конструктивных особенностей и эксплуатационных характеристик ССП. При движении по внутренним водным путям суда работают в условиях фарватера с ограниченными глубиной, шириной, радиусом кривизны судового хода на отдельных участках, а также с определённой скоростью течения; при плавании в водохранилищах, озёрах и прибрежных морских районах на суда усиливается ветро-волновое воздействие вплоть до штормового. На технико-эксплуатационные и экономические показатели судов внутреннего и смешанного плавания большое влияние оказывают путевые условия, характер и структура перевозок, техническое состояние. Путевые условия. Параметры фарватера и размеры действующих шлюзов принимаются за основу при выборе размерений проектируемых судов внутреннего и смешанного плавания. Очевидным способом повышения экономической эффективности грузовых теплоходов, эксплуатирующихся на реках с сезонными колебаниями уровня воды, является максимальное использование глубины судового хода в течение всего периода навигации. Необходимость компромисса с целью обеспечения ССП предельно возможной грузоподъёмности в речных условиях и безопасности эксплуатации в условиях морского волнения приводит к тому, что эти суда уступают другим судам аналогичного назначения и водоизмещения по ряду характеристик, например, речным - по управляемости на отдельных режимах, морским - по мореходности; это определённым образом сказывается на работе главных двигателей в процессе эксплуатации. Так, при одинаковой структуре массового водоизмещения грузовых судов внутреннего и смешанного плавания имеет место существенное различие по статьям, касающимся масс корпусов и энергетических установок. Более высокие значения этих составляющих у ССП объясняются стремлением проектантов обеспечить судам необходимые прочность корпусов, мощность
Анализ условий эксплуатации главных судовых двигателей
Распределение эксплуатационных режимов главных двигателей как элементов гидромеханического комплекса определяется, в основном, типом и назначением судна, его конструктивными особенностями, техническим состоянием, составом энергетической установки, навигационными условиями водного бассейна в соответствии с присвоенным классом Регистра, организацией перевозок; отражает необходимость обеспечения безопасности плавания судна в конкретных путевых и гидрометеорологических условиях; обусловлено обычно стремлением к повышению эксплуатационной надёжности, срока службы, экономических показателей энергетической установки и судна в целом.
В контексте изложенного необходимо отметить, что особый практический интерес представляют количественные оценки фактических режимных показателей главных судовых двигателей в различных условиях эксплуатации. Рассмотрим публикации, в которых даётся оценка указанных выше режимных показателей.
Ю.В.Захаров и др. [103], основываясь на данных вероятностно-статистической обработки большого объёма информации о результатах многочисленных испытаний и продолжительных наблюдений на морских судах пароходств Черноморского бассейна, фиксируют значительное различие эксплуатационных и номинальных показателей их главных двигателей; табл. 2.1 иллюстрирует соотношения значений индикаторных эксплуатационной Ni3 и номинальной NiH мощностей, а также эксплуатационной пэ и номинальной п„ частот вращения дизелей. Подобные сведения имеются в работе [163]. надёжности главных двигателей, приводят следующие данные об эксплуатационных режимах дизелей (табл.2.2).
M.Eberle [358] при изложении опыта эксплуатации четырёх морских транспортных судов с двухвальными установками отмечает работу их главных двигателей с нагрузкой 60% при частоте вращения валов 91% от номинальных показателей.
Об отклонениях фактических режимов работы главных двигателей от номинальных свидетельствуют результаты их индицирования на морских судах типа "Бежица" (рис.2.1,а), "Красноград" (рис.2.1,6) и "Выборг" (рис.2.1,в) [119,281]. E.V.Schnurbein [389] отмечает длительную эксплуатацию морских пассажирских судов на режимах главных двигателей от 40 до 60% номинальной мощности.
Схемы нагрузки, приведённые O.Neumeister и D.Wiesner в работе [382], показывают, что главные двигатели судов, плавающих между портами Балтийского моря, большую часть времени (до 57,4%) работают на частичных режимах.
А.А.Куриц [82] свидетельствует, что работа дизелей на морских буксирах в течение эксплуатационного периода составляет на 100% мощности 30% времени, на 50 и 25% мощности соответственно 50 и 20% времени. Он же, отмечая весьма тяжёлые условия работы главных дизелей 5Д50 на китобойных судах типа "Мирный", указывает, что высокие скорости и нагрузки этих двигателей при поиске и преследовании китов составляют лишь 35% общего промыслового времени.
В.П.Козлов [144] отмечает преобладание частичных нагрузок при эксплуатации главных двигателей морских промысловых судов, связывая это, во-первых, с длительной работой (до 60 ... 70% эксплуатационного времени) на режимах малого и среднего ходов, и, во-вторых, с непрерывным изменением массового водоизмещения судов из-за расхода горюче-смазочных материалов, пресной воды, приёма и сдачи рыбы. Изменение водоизмещения судна при этом оценивается в пределах 70 ... 100%, а мощности, потребляемой гребным винтом, от 17 до 100-110% номинальной мощности двигателя.
Г.С.Каминский [123] приводит среднестатистические значения относительных величин нагрузки главных двигателей морских производственных рефрижераторов типа "Таврия" (0,54 ... 0,66) и "Октябрьск" (0,64), китобойных судов (0,76). В.А.Карпович в работе [7] даёт более дифференцированную оценку режимов работы главных двигателей морских судов промыслового флота (табл.2.3). К основным факторам, определяющим специфику эксплуатации энергетических установок различных морских судов этого назначения, автор относит вид промысла, тип и размеры промысловых устройств, глубину акватории, характер грунта, метеорологические условия в районе промысла и на переходах к нему, требуемый режим работы судна на промысле, тип движителя - винт фиксированного или регулируемого шага. Б.И.Ефимов [93] приводит данные о распределении нагрузки главных двигателей морских судов промыслового флота, а также речных пассажирских и грузовых судов (табл.2.4). По данным ЛИВТа [114,115] средняя эксплуатационная мощность грузовых теплоходов "Волго-Дон" (101, 103, "23 съезд КПСС") с главными двига
Разработка расчётно-экспериментального метода получения универсальных характеристик дизелей
Семейства линий Вч = vj/(pe) нагрузочных характеристик, полученные для различных постоянных частот вращения вала, в пространстве с координатами (п, ре, Вч) образуют некоторые поверхности Ч . Особенностью рассматриваемого метода является аппроксимация этих поверхностей интерполяционными полиномиальными моделями по возможности наименьшей степени относительно независимых переменных п и ре. Анализ формы линий Вч = \j/(pe) нагрузочных характеристик дизелей показал, что требуемое преобразование может быть достигнуто тогда, когда результаты испытаний, сгруппированные по признаку n = const, представлены в координатах (pek, InB,), где к-показатель степени (0 к 1). Рассмотрим процедуру преобразования системы координат. Для этого при n = const представим каждую і-ю зависимость Вч = \/(рс) в новой системе координат уравнением регрессии где ctj и 5j - коэффициенты, оценки которых будем искать, используя метод наименьших квадратов. Для этого при фиксированном к составим функцию и найдём значения а{ и 8;, при которых функция %(сц, 6[) принимает минимальное значение. Получим соответствующую систему нормальных уравнений относительно коэффициентов а, И 5j которая в данном случае будет иметь вид: система (3.4) перепишется следующим образом Формула для вычисления оценки дисперсии і-й прямой при фиксированном показателе степени к будет иметь вид: где yi - значение преобразованной функции в і-й точке. При наличии в пределах і-й прямой групп Мк повторных замеров для каждой из этих групп значение у: определяется по формуле: В случае отсутствия повторных замеров выражение для у, упрощается: Вычисленные значения оценок дисперсий по всем рассматриваемым прямым используются для определения критерия Sk, характеризующего качество спрямления исследуемых зависимостей: где к0 - некоторое фиксированное значение из множества варьируемых значений к; Гк-число прямых. В результате выполненного преобразования исследуемая поверхность 4у с достаточной для практики точностью может быть представлена математической моделью в виде полинома Как известно [3,178 и др.], модель вида (3.11) может быть получена в результате проведения полного факторного эксперимента 22, а модель вида (3.12) - в результате проведения эксперимента в соответствии с ортогональным центрально-композиционным планом второго порядка. В первом случае матрица планирования содержит четыре опыта (режима работы двигателя), во втором - девять. Статистическая обработка результатов эксперимента включает нахождение дисперсии воспроизводимости, определение значимости отдельных коэффициентов уравнения регрессии, проверку адекватности полученной регрессионной модели. ) Построенная таким образом модель используется в дальнейшем для расчёта изопараметрических линий удельного расхода топлива универсальных характеристик дизелей. Расчёт линий be = const универсальной характеристики в заданной области изменения значений п и рс выполняется, исходя из условия при использовании математической модели (3.11), или условия при использовании модели (3.12). В выражениях (3.13) и (3.14) постоянная Ад двигателя для четырёхтактных дизелей находится по известному выражению Ад= Vhy6Q-Za, в котором Vh - рабочий объём цилиндра; ід - число цилиндров; za - коэффициент тактности, zfl= 2 - для 4-тактных, zA= 1 - для 2-тактных двигателей; с - заданная точность нахождения корня. Кроме изолиний Ье рассчитываются линии постоянных значений эффективной мощности Ne и среднего эффективного давления рс. Для этого используется известная из теории двигателей зависимость в которой при расчёте линий Ne = const в заданном диапазоне изменения п при заданных величинах Ne варьируются значения ре. При расчёте линий ре const, наоборот, задаются величины ре, а варьируются значения Ne.
Исследование влияния параметров рабочего процесса дизеля на конфигурацию универсальной характеристики
Для решения задачи направленного изменения конфигурации универсальной характеристики по удельному расходу топлива путём настройки главного судового дизеля, прежде всего, необходимо установить характер воздействия отдельных параметров рабочего процесса на форму и расположение линий be= const. Эта информация, отсутствующая в литературе, получена в результате проведения вычислительного эксперимента: определение универсальной характеристики выполнено с помощью разработанной в диссертации компьютерной системы "DGEIN" (см. раздел 3.2), исходные данные для которой в виде массива значений п, ре, Вч нагрузочных характеристик по лучены путём математического моделирования рабочего процесса дизеля.
Получение характеристик с помощью математического моделирования рабочего процесса представляется вполне оправданным, так как по сравнению с натурным экспериментом на стенде исключаются побочные эффекты, уменьшаются затраты труда и средств из-за отсутствия необходимости дублировать опыты, выдерживать режимы, поддерживать параметры двигателя на постоянном уровне. Выбранная в качестве инструмента исследования математическая модель ЦНИДИ [116] позволяет с доста точными для практичен ских целей достоверностью и полнотой изучить характер и оценить степень влияния выбранных параметров на расход топлива и другие показатели двигателя с газотурбинным наддувом. Принципиальной особенностью данной модели является возможность производить расчёт параметров рабочего процесса на частичных режимах любой характеристики {внешней, нагрузочной, винтовой и т.д.) при задании значений цикловой подачи топлива и частоты вращения коленчатого вала.
В основу модели положен квазистатический метод описания процессов периодического изменения значений параметров в рабочем цилиндре и выпускной системе двигателя и использованы уравнения энергетического баланса: в которых: ф - угол поворота коленчатого вала; р, Т, V - соответственно давление, температура и текущий объём газа; U = UnGn-внутренняя энергия; и - удельная внутренняя энергия; G = Gn - масса газа; - расход газа через органы газообмена; і - удельная энтальпия газа; QH - теплота сгорания топлива; Q - массовое количество топлива; R - газовая постоянная; Qw - тепловой поток от газа к стенке; г - массовая доля компонента рабочего тела; Кп - коэффициент изменения массы компонента при сгорании 1 кг топлива; j - численный множитель, равный "+1" при впуске и "-І" при выпуске; m, п - индексы, представляющие порядковые номера соответственно органа газообмена и компонента рабочего тела (воздуха или продуктов сгорания).
Термодинамические свойства газов, характеризуемые такими параметрами как теплоёмкость, энтальпия, внутренняя энергия, аппроксимированы степенными полиномами.
Для описания закона сгорания использована зависимость И.И.Вибе [47], в которой при моделировании частичных режимов показатели сгорания mz и ф2 определяются по формулам Г.Вошни [401]. Расчёт периода задержки воспламенения топлива производится по методике А.И.Толстова и Ю.Т.Ерёмина [89]. Коэффициент теплоотдачи от газов к стенкам камеры сгорания определяется по критериальному уравнению Г.Вошни [400].
Особенностью компьютерной программы является то, что при проведении расчётных исследований она позволяет осуществлять настройку модели на номинальном режиме по заданным величинам максимального давления сгорания, давления наддувочного воздуха, КПД турбокомпрессора. Это достигается автоматическим подбором значений угла опережения впрыска топлива фото и пропускной способности соплового аппарата турбины (oFT0. После настройки по данным стендовых испытаний двигателя модель при расчётном исследовании даёт результаты, с достаточной для практики точностью совпадающие с результатами аналогичного натурного эксперимента.
В завершение рассмотрения особенностей используемой в диссертации математической модели рабочего процесса и реализующей её компьютерной программы, следует отметить, что для решения наших задач они потребовали некоторых дополнений, связанных с необходимостью определения величины эффективного удельного расхода топлива на каждом моделируемом режиме. Это было достигнуто введением в алгоритм расчёта известных зависимостей 1) для удельного индикаторного расхода топлива: б) по формуле В.Н.Свободова [279] где ртах - максимальное давление сгорания; ст - средняя скорость поршня; Pi - среднее индикаторное давление, 3) для эффективного удельного расхода топлива:
В качестве параметров рабочего процесса, влияющих на конфигурацию универсальной характеристики, рассматриваются угол опережения впрыска топлива фот, геометрическая степень сжатия є0) пропускная способность соплового аппарата турбины piFT и угол перекрытия клапанов фпк.
Выбор названных параметров в качестве настроечных обусловлен, прежде всего, их сильным влиянием на организацию рабочего процесса и возможностью изменения путём соответствующих регулировок дизеля с конструктивными минимальными переделками в процессе эксплуатации.
У объекта исследования - судового четырёхтактного среднеоборотного двигателя 6ЧРПН 36/45 указанные параметры варьировались в следующих пределах:
Вычислительный эксперимент был построен следующим образом. Вначале по результатам стендовых испытаний двигателя на номинальном режиме осуществлена настройка математической модели. Далее выполнено, моделирование режимов нагрузочных характеристик в рабочем диапазоне значений мощности.и частоты вращения при различных значениях выбранных параметров рабочего процесса. После этого для каждого варианта проведён расчёт универсальных характеристик дизеля. Воздействие срот, є0г \хт и фпк на конфигурацию универсальной характеристики по удельному расходу топлива во всех вариантах проиллюстрировано на примере замкнутой изопараметри-ческой линии Ье= 220 г/(кВт-ч), изображённой на рисунках в координатах (n,Ne). Там же приведены полученные при моделировании на номинальном режиме зависимости относительных величин показателей рабочего процесса от варьировавшихся параметров.
Анализируя полученные результаты, следует отметить, что угол опережения впрыска топлива фот и степень сжатия є0 (рис.4.1 и рис.4.2) в значительной мере определяют характер протекания процесса сгорания и оказывают влияние на индикаторный КПД г\(. варьирование фот приводит к изменению максимального давления сгорания ртах, степени повышения давления газов при сгорании X, а, следовательно, к изменению доли топлива, сгорающего в районе ВМТ; X и є0 позволяют воздействовать на соотношение работ сжатия и расширения в цикле. Кроме влияния на индикаторный КПД, параметры фот и є0 оказывают воздействие на механический КПД тга. В результате изменений индикаторного и механического КПД изменяются эффективный КПД те, часовой расход топлива Вч, а значит и конфигурация изопараметри-ческих линий Ье универсальной характеристики двигателя.
Похожие диссертации на Эффективность эксплуатационных режимов судовых гидромеханических комплексов
