Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ проблем технической эксплуатации турбонаддувочных агрегатов судовых двигателей. Постановка задач исследования 10
1.1 Проблемы технической эксплуатации турбонаддувочных агрегатов судовых двигателей 10
1.2. Современное состояние исследований тепло технических и виброакустических характеристик турбонаддувочных агрегатов судовых двигателей 12
1.3. Цель и постановка задач исследования 19
Глава 2. Объекты и методики исследований элементов системы воздухоснабжения на двигателе в судовых условиях 21
2.1. Главные двигатели и энергетическая установка танкеров типа "И. Эренбург" 21
2.2. Система воздухоснабжения главных двигателей танкеров типа "И. Эренбург" 24
2.3. Методика определения теплотехнических параметров турбонаддувочных агрегатов и двигателя 28
2.4. Методика исследования вибрационных характеристик турбонаддувочного агрегата и судового двигателя в условиях эксплуатации 33
2.5. Методика когерентной обработки вибрационных измерений и определения динамических характеристик системы воздухоснабжения двигателя 41
Глава 3 . Анализ отказов и неисправностей , исследование теплотехнических и виброакустических характе ристик турбонаддувочного агрегата VTR 304 -11 двигателя 6РС 2 - 6/2L400E при эксплуатации на танкерах типа "И. Эренбург" 52
3.1.Анализ отказов и неисправностей турбонаддувоч ных агрегатов VTR304-11 главных двигателей всей серии танкеров типа "И.Эренбург" 52
3.2. Исследование теплотехнических характеристик турбонаддувочного агрегата VTR 304 - 11 64
3.3. Результаты когерентной обработки вибрацион ных измерений и определения динамических характеристик элементов системы воздухоснаб жения 72
3.4. Исследование вибрационных характеристик элементов системы воздухоснабжения 78
3.5. Выводы по главе 88
Глава 4. Расчетное исследов ание влияния конструктив ных параметров элементов системы воздухо снабжения главных двигателей судов типа " И.Эренбург" на виброакустические характеристики 89
4.1. Уравнения вынужденных колебаний системы " турбонаддувочный агрегат - фундамент турбонад дувочного агрегата - воздушный трубопровод" 89
4.2. Расчет влияния конструктивных параметров системы «турбонаддувочный агрегат - фундамент турбонаддувочного агрегата - воздушный трубо провод» на виброакустические характеристики этой системы 94
4.3.Сравнение уровней вибрации вариантов систем воздухоснабжения на частоте пульсации давления в системе воздухоснабжения и выводы по главе 115
Глава 5. Повышение эффективности технической эксплуатации двигателя 6РС 2- 6/2L 400Е танкеров типа "И.Эренбург " путем совершенствования системы воздухоснабжения 118
5.1. Улучшение эксплуатационной надежности двигателя путем замены штатного турбонаддувочного агрегата т/х " Хирург Вишневский " турбонаддувочным агрегатом типа ТК35В-08М 118
5.2. Анализ эффективности замены штатного турбонаддувочного агрегата на ТК 35В-08М при работе его совместно с двигателем 6 PC2-6/2L400E 127
5.3. Повышение эффективности эксплуатации двигателя за счет конструктивных изменений системы воздухоснабжения 131
5.4. Выводы по главе: 139
Заключение 140
Список использованных источников 142
Список опубликованных работ автора
по разделам диссертации 147
Приложение 149
- Современное состояние исследований тепло технических и виброакустических характеристик турбонаддувочных агрегатов судовых двигателей
- Система воздухоснабжения главных двигателей танкеров типа "И. Эренбург"
- Исследование теплотехнических характеристик турбонаддувочного агрегата VTR 304 - 11
- Расчет влияния конструктивных параметров системы «турбонаддувочный агрегат - фундамент турбонаддувочного агрегата - воздушный трубо провод» на виброакустические характеристики этой системы
Введение к работе
В настоящее время в состав энергетических установок большинства судов промыслового и морского флота в качестве главных и вспомогательных двигателей применяются дизели с наддувом. Для организации наддува двигателя служит система воздухоснабжения в которую входят следующие элементы: турбонаддувочный агрегат, его фундамент, воздушный трубопровод, компенсаторы, воздухоохладитель. Система воздухоснабжения двигателя является органической частью двигателя. Ее эффективность и надежность во многом определяет технико-экономические показатели двигателя. В свою очередь на характеристики системы воздухоснабжения двигателя влияют: состояние двигателя и особенности его рабочих процессов; режимы эксплуатации двигателя; его расположение в машинном отделении; конструктивное оформление (расположение) газовыпускной системы и воздушного трубопровода; конструкции фундамента и собственно самого ТНА и множества других факторов.
Анализ результатов эксплуатации систем воздухоснабжения судовых двигателей показывает , что на долю ее элементов приходится значительная часть отказов . Наши выводы подтверждают исследования других авторов.
Так в докладе на конференции CIMAC 2001 сообщается о незапланированных простоях в работе судовых двигателей из - за большого количества отказов ТНА. Устранение этих отказов является составной частью оптимизации эксплутационных расходов . Отмечается , что много претензий относится к конструктивному исполнению элементов системы воздухоснабжения двигателя.
В условиях , когда отказы ТНА, например, главных двигателей серии судов привели к значительным затратам судовладельца ( на ремонт ТНА, потери ходового времени судна и т.д.) задачи решаемые в диссертации актуальны.
Диссертационная работа включает расчетное и экспериментальное исследование вопросов совершенствования технической эксплуатации среднеоборотных главных двигателей за счет улучшения характеристик системы воздухоснабжения. На танкерах типа " И.Эренбург" ,в натурных условиях, проведена серия теплотехнических и вибрационных экспериментальных исследований системы воздухоснабжения главных двигателей.
Исследования проводились автором на судах ОАО " Новороссийское морское пароходство ". Результаты работы внедрены в виде модернизации системы воздухоснабжения главных двигателей серии танкеров типа "И.Эренбург" ОАО " Новороссийское морское пароходство ". Примененные в работе подход к проблеме и методики могут быть применены и для других типов судовых технических средств. Как показал опыт эксплуатации энергетических установок (два среднеоборотных главных двигателя 6 PC 2-6/2 L 400 Е (6ЧН 40/46 - 1 фирмы Пилстик , Югославия) теплоходов типа " И.Эренбург", наименее надежным элементом установки является ТНА VTR 304 - 11 главных двигателей. Выполненные исследования показали : отказы происходят на всех теплоходах этой серии
Вибрационные измерения системы воздухоснабжения двигателей, выполненные в условиях эксплуатации, показали, что на фундаменте ТНА ( консольно расположенном в кормовой части дизеля ) и на самом ТНА уровни виброскорости в диапазоне частот 20 — 50 Гц имеют значения , превышающие нормы, установленные Регистром судоходства РФ [32], РД 31. 20. 50 - 87 [20,11] и ISO 2372, в связи с чем были высказаны предположения , что причиной отказов элементов ТНА является низкочастотная вибрация.
Натурные исследования были направлены на определение теплотехнических параметров элементов системы воздухоснабжения ГД, а также на измерение вибрации и динамических характеристик в ряде точек этой системы на различных режимах работы главной энергетической установки с целью выявления причин повышенной вибрации .
В настоящей диссертации приведены : анализ условий эксплуатации ТНА типа VTR 304-11 (ABB) и ТК 35В-08М ( СКБТ г.Пенза) на двигателе 6PC2-6/2L400E танкеров типа "И.Эренбург"; результаты выполненных теплотехнических и вибрационных испытаний системы воздухоснабжения ГД танкеров типа " И.Эренбург"; расчетное исследование влияния конструктивных параметров элементов системы воздухоснабжения главных двигателей на виброакустические характеристики; результаты теплотехнических испытаний системы воздухоснабжения ГД с ТНА ТК-35В-08М, установленным взамен штатного ТНА VTR 304-11; рекомендации по снижению уровней вибрации ТНА VTR 304-11 путем модернизации системы воздухоснабжения среднеоборотного двигателя.
Целью работы является повышение эффективности технической эксплуатации судовых среднооборотных двигателей 6РС 2 - 6/2L400E серии танкеров типа "И. Эренбург" путем совершенствования системы воздухоснабжения на основе комплекса экспериментальных и расчетных исследований и разработке мероприятий по повышению эффективности технической эксплуатации системы воздухоснабжения и ,как следствие , главных двигателей.
Достижение поставленной цели осуществляется путем решения следующих задач: — проведением анализа проблем технической эксплуатации турбонаддувочных агрегатов судовых двигателей; разработкой методик исследований элементов системы воздухоснабжения на двигателе в судовых условиях; анализом отказов и неисправностей, исследованием теплотехнических и виброакустических характеристик турбонаддувочного агрегата VTR 304 - 11 главного двигателя (ГД) 6РС 2 - 6/2L400E при эксплуатации на танкерах типа "И. Эренбург"; расчетным исследованием влияния конструктивных параметров элементов системы воздухоснабжения главных двигателей танкеров типа " И.Эренбург " на виброакустические характеристики; повышением эффективности технической эксплуатации ГД 6РС 2-6/2L 400Е танкеров типа "И.Эренбург " путем совершенствования системы воздухоснабжения.
Современное состояние исследований тепло технических и виброакустических характеристик турбонаддувочных агрегатов судовых двигателей
Разработкой теории и расчетами турбин и компрессоров в составе ТНА, решением проблем создания ТНА, изучением вопросов совместной работы ТНА и дизелей , совершенствованием технической эксплуатации ТНА занимались и внесли значительный вклад Байков Б.П., Бордуков В.Т., Бюхи А, Бенон Р., Ваншейдт В.А., ГлаголевН.М., Дейч Р.С., Иванченко Н.Н., Иванов П.В., Камкин СВ., Красовский О.Г.ДСруглов М.Г., Майер Е.,
Моргулис П.С., Межерицкий А.Д., Мышинский Э.Л.,Орлик А.С., Петровский Н.В., Симпсон А.Э., Самсонов Л.А., Эпштейн А.С., Ханзен С. и др. Указанные выше ученые в основном рассматривали задачи ,связанные с проектированием ТНА или согласованием теплотехнических характеристик ТНА и двигателя , не затрагивая проблем , определяющих надежность эксплуатации ТНА, и как следствие , в целом двигателя.
Испытаниями, расчетами и проектированием ТНА транспортных двигателей занималось и занимается множество организаций и ВУЗов: ЦНИДИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ЦНИИ им. академика А.Н.Крылова, ЦНИИМФ, ГМА им.адмирала С.О.Макарова, МГА им.адмирала Ф.Ф. Ушакова ,СКБТ, СПбГПУ, СПбГМТУ и т.д. в нашей стране и за рубежом "ASEA BROWN BROWERI"(ABB, Швейцария), MAN B&W Diesel ( Германия-Дания), CATEPILLAR, (США) и т.д.
Работы ЦНИДИ по наддуву дизелей [ 18,43 ] были ,в основном, направлены на разработку: методики расчета компрессоров и турбин; конструкций ТНА; государственных стандартов на типы ТНА; технологии изготовления лопаточного аппарата ТНА; методики проектирования и оптимизации по уровню вибраций и нагрузок роторно - подшипниковых систем и т.д.
В работе [24] изложены принципы расчета, проектирования и эксплуатации агрегатов турбонаддува дизелей с позиций комплексного подхода к изучению системы "дизель - ТНА". Уделено значительное внимание исследованию работы турбины ТНА в импульсном потоке выпускных газов. Автор уделил основное внимание проектированию ТНА, но в эксплуатации более важная задача подбора ТНА к дизелю, который находится в эксплуатации.
В течение последних десятилетий ведущие производители ТНА уделяют значительное внимание повышению их эффективности и надежности [48,49,50,51] . Несмотря на это ,наблюдается большое количество отказов ТНА и связанных с этим незапланированных простоев в работе судовых двигателей и, как следствие, судов. Устранение этих отказов является составной частью оптимизации эксплутационных расходов [ 46,49 ].
Система наддува двигателя, включая ТНА, трубопроводы выпускных газов и воздушный , системы контроля , должна быть оптимизирована для каждого двигателя и судна. Эта проблема решается использованием компьютерных программ моделирования совместной работы двигателя и ТНА, что позволяет сократить дорогие стендовые испытания [46,51]. Очевидно , что условия испытаний ТНА на стенде существенно отличаются от судовых. Это может приводить в условиях эксплуатации либо к ухудшению эффективности наддува дизеля, либо к снижению надежности ТНА и двигателя.
Надежность эксплуатации ТНА судовых дизелей связана с их вибрационным состоянием , так как повышенные вибрационные нагрузки в элементах агрегата нередко являются причинами серьезных аварий. Износ и повреждение отдельных элементов ТНА из-за вибрации приводят к дорогостоящему увеличению стоимости и сроков ремонта , неоправданной загрузке обслуживающего персонала и ремонтных баз, снижению после ремонта надежности механизма из-за нарушения приработки и внесения случайных изменений в сопряжения деталей и узлов , уменьшению межремонтного периода эксплуатации. Используя измерения параметров вибрации можно контролировать отмеченные выше недостатки . Например, применяя контроль вибрации ТНА в качестве индикатора, фиксирующего начало возникновения каких- либо повреждений , или отклонение от режима нормальной работы , а также для определения резонансных явлений и оценки состояния.
Регулярное измерение вибрации судовых турбомашин выявляет два типа устойчивых изменений вибрации: монотонное (тренд), вызываемое изменением структурных параметров машин в процессе износа и старения, и скачкообразное , дискретное, связанное с поломками, регламентными работами [ 34 ].
Монотонное изменение вибрации , выявляемое по большому числу измерений , связано как с выработкой ресурса, т.е. количеством часов работы машины, так и со старением , т.е. числом лет службы машины независимо от ее наработки.
Наиболее характерными видами неисправностей , влияющими на изменение вибрации , являются : разбалансировка, расцентровка, нарушение плотности посадки отдельных узлов ротора, происходящие под действием длительного воздействия переменных сил и приводящие к увеличению вибрации, прежде всего на частоте вращения ротора; механический износ пар трения ; по мере износа и увеличения зазоров динамические силы взаимодействия в рабочих узлах и их вибрация усиливаются ; по -видимому [34] , существует оптимальный размер зазоров между деталями в парах трения , отклонение от которого как и в большую , так и в меньшую сторону приводит к увеличению вибрации; коррозионный и эрозионный износ деталей , находящихся в потоке рабочей среды , ухудшение качества поверхности лопаток турбомашин изменяет условия обтекания и может привести к повышению вибрации.
Как отмечено в литературе , посвященной исследованию вибрации технических средств [1,5,6,8,26,34,38,45], наибольшую информацию об эксплутационном состоянии ТНА можно получить по измерению их вибрации , однако ее расшифровка достаточно сложна. Вместе с тем, многочисленные факты предупреждения аварий машин в результате правильно поставленного контроля за вибрацией оправдывают затраты на развитие и внедрение средств вибродиагностики. Успехи в области виброизмерительной техники , опыт использования контроля параметров вибрации ТНА в целях анализа технического состояния позволяют в настоящее время сформулировать задачу вибродиагностики ,
Система воздухоснабжения главных двигателей танкеров типа "И. Эренбург"
Главные двигатели имеют чисто газотурбинный наддув , осуществляемый одним ТНА на каждый двигатель (рис.2.1); в качестве штатных ТНА применяются VTR 304 - 11. ТНА установлены жестко на фундаменте, который расположен с кормового торца ГД (первого цилиндра, рис. 2.3 а, б). Воздушный трубопровод от улитки компрессора огибает фундамент ТНА, опускается вниз и проходит далее вдоль двигателя к воздухоохладителю, который расположен с обратной стороны (по отношению к ТНА) двигателя (со стороны шестого цилиндра). Воздушный трубопровод опирается на фундамент ТНА с помощью балки и крепится к боковой стороне фундамента. На рис. 2.4 а, б показаны фотографии расположения ТНА, воздушного трубопровода, подкрепляющей балки и фундамента ТНА на танкерах типа "И. Эренбург".
Основной особенностью конструкции агрегатов наддува является компоновка турбины и компрессора как единого агрегата. На рис. 2.5 представлен продольный разрез ТНА 4-го поколения с осевой турбиной VTR 304 - 11 (ABB , Швейцария).Компоновочная схема ТНА - бесконсольная. Особенность - применение подшипников качения. Конструкция подшипников фирмы "ABB" приведена на рис. 2.6 а, б. Динамические нагрузки, вибрация корпуса и неравномерность параметров потока перед рабочими лопатками должна компенсироваться установкой пакета демпферных пружин из тонких стальных пластин (рис. 2.6 в), имеющих ряд несимметрично расположенных отверстий.
Между пластинами образуется масляная пленка, которая гасит небольшие вибрации. Масло для смазки подшипников заливается в картер, на картере имеется смотровое стекло для контроля за наличием и качеством масла. При значительной вибрации корпуса или ударных нагрузках демпфирование осуществляется благодаря перетеканию масла через отверстия в радиальном направлении от периферии к центру подшипника.
Режимы работы ТНА судовых двигателей внутреннего сгорания , как правило, являются длительными установившимися.
Для измерения теплотехнических параметров ТНА и двигателя в процессе исследований использовали штатные и дополнительно установленные приборы (рис. 2.7), характеристики которых приведены в таблице 2.1.
Измерение частоты вращения ротора ТНА контролировалось путем подключения к индуктивному датчику. Для определения параметров воздуха за компрессором в патрубке, который отводит воздух от улитки к воздухоохладителю, было выполнено два специальных штуцера. В них устанавливались специальный комбинированный приемник (рис.2.8) и термометр. Приемником определялась скорость и статическое давление воздушного потока за улиткой компрессора. Измерения проводились в 15 точках в каждом сечении [29]. В каждой точке определялась плотность воздуха
Полученное путем измерений и вычислений распределение скорости потока и плотность осреднялись, а затем определялся расход воздуха F - площадь поперечного сечения патрубка, м2. Испытания на двигателе предназначены для проверки соответствия ТНА дизелю. Замеры параметров проводились на различных нагрузках двигателя при нормальных условиях эксплуатации. Все теплотехнические параметры, характеризующие работу ТНА и двигателя, измерялись по 3 -5 раз на каждом режиме.
Как известно, в системе газотурбинного наддува с одним ТНА расход воздуха через компрессор равен расходу воздуха через двигатель, а давление за компрессором практически равно давлению в продувочном ресивере, т.к.сопротивление воздушного холодильника составляет не более 0,005МПа Из этого вытекает, что линия рабочих режимов компрессора совпадает с расходной характеристикой двигателя.
Согласование характеристик ТНА и двигателя можно считать удовлетворительным при выполнении следующих условий: 1. На основном эксплуатационном режиме работы двигателя компрессор и турбина развивают максимальные КПД. 2. Линия рабочих режимов ТНА находятся на достаточном удалении от зоны помпажа и проходит через зону максимальных КПД компрессора и турбины. 3. КПД турбины и компрессора в широком диапазоне изменения частот вращения изменяются незначительно. 4. Номинальное давление наддува обеспечивается ТНА при допустимой с точки зрения надежной эксплуатации температуре газов перед турбиной. 5. Перепад давления между продувочными и выпускными органами дизеля обеспечивает удовлетворительную продувку цилиндров на всех режимах работы.
Для оценки точности проводимых экспериментов используется подход , предложенный Николаевым Н.И, Савченко В.А, и Кучменко В.В. В соответствии с их рекомендациями аппроксимация экспериментальных значений параметров в зависимости от мощности двигателя полиномами первой, второй и третьей степеней по методу наименьших квадратов дает следующие значения доверительных интервалов (±) : давление -0,013 бар; частота вращения ротора ТНА-50об/мин; температура газов -3С. Доверительный интервал вычислялся при доверительной вероятности 0,95. Результаты испытаний ТНА на дизеле представляются в виде характеристик, при построении которых в качестве параметров применяются различные величины. Например, строится зависимость полученных в результате испытаний параметров ТНА( давление наддува, частота вращения ротора и т.д.) от нагрузки двигателя.
Исследование теплотехнических характеристик турбонаддувочного агрегата VTR 304 - 11
Испытания ТНА VTR 304 - 11 ГД танкеров типа "И. Эренбург" выполнялись на различных режимах работы двигателя. Для измерения теплотехнических параметров использовались приборы и система измерений приведенные в параграфе 2.3. Все измерительные приборы были поверены, контролируемые параметры измерялись несколько раз. Результаты исследования ТНА на двигателе представляются в виде зависимости параметров ТНА от мощности двигателя. Результаты измерений, выполненных на танкере "Л. Утесов" приведены на рис.3.8, 3.9.Анализ полученных результатов показывает, что характер изменения параметров в функции мощности ГД соответствуют теоретическим представлениям и аналогичны исследованиям других двигателей. Количественно зависимости полученные на ГД №1 совпадают с соответствующими зависимостями, полученными на ГД №2. Это свидетельствует о том, что с точки зрения технического состояния двигатели одинаковы.
Расход воздуха на двигатель вычислялся по уравнению сплошности через осреднение по сечению патрубка улитки компрессора значения скорости потока и соответствующей плотности. Скорость потока измерялась путем траверсирования по диаметру патрубка комбинированными зондом с последующим осреднением, как изложено в параграфе 2.3. В процессе измерения скорости потока на выходе из компрессора ТНА выявилась значительная неравномерность потока за компрессором по сечению и нестабильность во времени. Параметры меняются каждые 10-20 секунд. Колебания неравномерны по величине изменения параметров и во времени протекания измерения табл.(З.З).
Из эпюр скорости, например, рис.3.10, видно, что в большинстве случаев наибольшая скорость в районе точки 5, наименьшая - в точке 14. Поток в целом прижат к одной стенке. Однако, конфигурация эпюр со временем изменяются. Попытка наложить эпюры, полученные в различное время при одном и том же давлении наддува, успеха не имели, хотя численные осредненные значения расходов сравниваемых экспериментов близки. Рн=0,36 Рн=0,64 Рн=0,71 Рн=0, Номер сечения Неравномерность потока по сечению встречаются и у других двигателей, а такая сильная нестабильность во времени - особенность исследуемой энергетической установки. Обусловлено это тем, что во-первых, два двигателя, работающие на общий редуктор и жестко связанные по частоте вращения, непрерывно перераспределяют нагрузку между собой, в результате чего их мощность постоянно колеблется относительно средней заданной величины. Этот процесс не зависит ни от режима эксплуатации, ни от состояния моря. Во-вторых, нагрузка валогенератора меняется из-за включения-выключения потребителей. В-третьих, из условий, задаваемых валогенератором, автоматически поддерживается постоянной частота вращения главных двигателей путем изменения шага винта, что при малейшем волнении приводит к ощутимому изменению мощности главных двигателей. С изменением же мощности двигателей меняются все параметры работы ТНА. Из-за инерции всей механической системы и взаимного влияния двигателей и валогенератора характер колебаний параметров ТНА не соответствует характеристикам волнения.
В результате протекания всех этих процессов турбина работает в условиях постоянно меняющейся энергии потока уходящих газов и вырабатывает, соответственно, постоянно меняющуюся по величине мощность.
Компрессор, получая от турбины случайным образом меняющийся поток мощности, меняет производительность и давление наддува, что в свою очередь сказывается на работе двигателя. Было замечено, что звенья системы и регулятор - топливная рейки перемещаются не плавно, а скачками, при достижении приложенного к ним усилия определенной величины. Было выдвинуто предположение, что в подвижных соединениях имеет место повышенное трение. Преследуя цель уменьшить величину пульсаций параметров, на судне проведены следующие работы по обоим двигателям: произведена разработка, очистка, шлифовка всех втулок и тяг, входящих в систему регулятор - топливная рейка; проверены и подрегулированы регуляторы Вудворда согласно инструкции; произведена ревизия всех топливных насосов; произведена регулировка двигателей по рабочим параметрам согласно индикаторных диаграмм; в цепи обратной связи ДАУ ГД №2 обнаружена и устранена неисправность; проведена регулировка ДАУ по нагрузочным параметрам и распределению нагрузок между двигателями. В результате проведенных работ величина пульсаций уменьшилась примерно в 1,5 раза. Нестабильность потока воздуха во времени вследствие невозможности удержания всей механической системы на заданном режиме длительное время, необходимое для проведения эксперимента, не позволила измерить расход с достаточной точностью. Экспериментальные точки, см. рис. 3.11, имеют разброс. Проверка осуществлялась путем сравнения измеренной величины расхода с минимальными и максимальными значениями расхода, вычисленными по известной из теории ДВС формуле [13,24 ]:
Если в эту формулу подставить минимальные значения q и rj , то будет получено минимальное значение расхода, а если подставить максимальные рекомендованные значения этих коэффициентов, то будет получено максимальное значение расхода. На графике, рис. 3.11, значения минимального и максимального расходов в функции от мощности нанесены штриховыми линиями. Измеренный расход, находятся между минимальным и максимальным значениями, что свидетельствует о принципиальной правильности полученного результата.
Повторные измерения параметров через 4 месяца эксплуатации дали точно такие же результаты. Значит, говорить об изменении технического состояния ТНА и двигателей нет оснований. На рис. 3.12-3.18 приведены когерентные и некогерентные спектры вибрации в трех характерных точках: в точках 1 и 2 на корпусе ТНА в районе подшипниковых узлов; в точке на фундаменте ГД ТНА (см. рис. 2.10 ).
Из графиков видно, что такой подход наглядно демонстрирует значимость источников. Дискретные составляющие в спектрах вибрации обусловлены работой ГД, а сплошная часть спектра формируется за счет рабочих процессов в ТНА. Вибрация, обусловленная работой ГД, определяет суммарный уровень не только фундамента ТНА, но и его корпуса. Только в высокочастотной части спектра - выше 400 Гц в т. 1 и выше 600 Гц в т. 2 -вибрация корпуса ТНА обусловлена его работой: некогерентный спектр отделяется от когерентного и уходит вверх. Из этого следует, что в этой области спектра вибрация корпуса обусловлена работой ТНА.
В районе подшипникового узла т. 1 работой ТНА определяются уровни вибрации и на частотах около 200 Гц и около 300 Гц. На частотах около 300 Гц вибрация обусловлена дисбалансом ротора ТНА. Следует также отметить повышенную по сравнению с т. 2 вибрацию в т. 1 в высокочастотном диапазоне выше 400 Гц. Это можно объяснить повышенным износом подшипникового узла в т. 1. Проведенная когерентная обработка измерений вибрации системы воздухоснабжения среднеоборотного дизеля позволила определить спектральный состав вибрации ТНА, вклад источников (дизель, ТНА) в собственную вибрацию ТНА и его фундамента.
Расчет влияния конструктивных параметров системы «турбонаддувочный агрегат - фундамент турбонаддувочного агрегата - воздушный трубо провод» на виброакустические характеристики этой системы
В данном параграфе приводятся результаты расчета эффективности мероприятий по выбору оптимальной схемы расположения и подкрепления воздушного трубопровода комплекса "ТНА — фундамент ТНА — воздушный трубопровод" нагнетательной ветви системы воздухоснабжения главного двигателя, по выбору оптимального угла наклона оси выходной улитки компрессора (см. рис. 4.1.)и по подкреплению фундамента ТНА.
Предлагаемые мероприятия направлены на повышение жесткости и собственных частот системы "ТНА — фундамент ТНА — воздушный трубопровод" и в итоге — на снижение виброактивности системы воздухоснабжения. Рассматриваемая система содержит отдельные элементы: сильфонный компенсатор (СК), фланец, компенсатор — «телескоп», расположенный в месте соединения трубопровода с выходной улиткой компрессора, жесткости которых неизвестны. Исходя из этого, работа выполнялась в два этапа: — отработка расчетной модели для исходного варианта системы воздухоснабжения двигателя (с наклоном оси выходной улитки компрессора 15 и подкреплением трубопровода наклонной балкой, рис.4.1) по полученным экспериментальным данным; — расчеты вариантов трубопровода с наклоном оси выходной улитки компрессора 30, 45, 60 и 90 с необходимыми мероприятиями по ужесточению системы "ТНА — фундамент ТНА — воздушный трубопровод". Расчеты динамических характеристик вариантов трубопроводов выполнялись по методике, описанной в параграфе 4.1.
Исходный вариант трубопровода воздухоснабжения ГД ( наклон оси улитки компрессора 15). Общий вид расчетной модели рассматриваемой системы приведен на рис. 4.3. На этом рисунке твердое тело, расположенное в узле 88, моделирует ТНА, твердое тело в узле 93 — фланец трубопровода, упругий элемент 93 - 94 моделирует жесткость фланца, упругий элемент 109—О — это СК, а упругий элемент 88 —89— компенсатор — «телескоп». Упругие элементы в узлах 25, 29, 49, 53 — жесткости болтового присоединения ТНА к фундаменту, представляющему собой открытый снизу короб П - образного профиля. Между узлами 89 и 91 расположен наклонный участок трубопровода, присоединенный к улитке, между узлами 91 и 96 — горизонтальный участок трубопровода, между узлами 96— 100 — вертикальный участок трубопровода, а между узлами 100— 109 —
горизонтальный участок, идущий вдоль стенки фундамента. Между узлами 93 и 112 расположена балка, подкрепляющая горизонтальный участок трубопровода. Для определения резонансных частот трубопровода возбуждение осуществлялось в узле 96.
Значения низших резонансных частот равны 24, 28, 42 и 58 Гц. Экспериментальные значения резонансных частот трубопровода равны 24, 30, 37 и 53 Гц. Погрешность определения резонансных частот трубопровода лежит в пределах 7% — 13%, что свидетельствует о достаточной корректности методики. Расчеты также показали, что инерционно-жесткостные характеристики фланца не влияют на динамические характеристики трубопровода, поэтому в дальнейшем фланец в расчетных моделях не учитывался.
Вариант системы воздухоснабжения ГД с наклоном оси улитки компрессора ТНА 30 . На рис. 4.4. приведен общий вид расчетной модели системы воздухоснабжения с наклоном оси выходной улитки компрессора 30. Расчетная модель системы "ТНА — фундамент ТНА — воздушный трубопровод" та же, что и для исходного варианта трубопровода.
Между узлами 88 и 89 расположен компенсатор — «телескоп», между узлами 104 и 0 — СК. Между узлами 98 и 91 — наклонный участок трубопровода, присоединенный к ТНА , между узлами 91 и 95 — наклонный участок трубопровода, лежащий в плоскости ZY, между узлами 95 и 104 — горизонтальный участок трубопровода.
На рис. 4.4. приведены также элементы, подкрепляющие трубопровод: горизонтальные балки, расположенные меж узлами 61, 98 и 66, 103, крепящие горизонтальный участок трубопровода к стенке фундамента (см. рис. 4.46, рис. 4.4в); — три соединенные вместе балки, подкрепляющие трубопровод в узле 93 — посередине наклонного участка 91—95 трубопровода. Балка № 1 идет к узлу 93 от нижнего левого угла торца фундамента (узлы 111 — 93, рис. 4.4в), балка № 2 — от правого верхнего угла (узлы 114— 93), балка № 3 — от левого верхнего угла (117 - 93). Кроме того, были использованы элементы, ужесточающие стенки и торец фундамента. Эти элементы описаны ниже.
Без элементов, ужесточающих фундамент и подкрепляющих трубопровод, низшие собственные частоты трубопровода равны 18, 27, 36 и 62 Гц. На рис. 4.5. приведены входные механические сопротивления трубопровода с наклоном оси улитки 30 в узле 95 (нижнее колено) в направлениях осей Z, У и X без подкрепления и с подкреплениями трубопровода и фундамента. Из рисунка видно, что благодаря подкреплению основная частота системы «"ТНА — фундамент ТНА — воздушный трубопровод" увеличилась с 18 Гц до 76 Гц, а входное сопротивление в узле 95 в диапазоне частот до 50 Гц возросло более чем на порядок.
Теперь оценим эффективность предлагаемых мероприятий по ужесточению трубопровода и фундамента рассматриваемого варианта трубопровода по сравнению с исходным вариантом. Для этого сравним вибрацию ТНА, обусловленную источниками в погибах трубопровода. Сила в источниках задана одинаковой для всех точек возбуждения и для всех трех направлений Z, У и X, и для обоих вариантов трубопровода. Точки возбуждения — 1-е (верхнее) колено и нижнее колено трубопровода, т.е. для рассматриваемого варианта — узлы 91 и 95 (см. рис. 4.4), а для исходного варианта узлы 91 и 100 (см. рис. 4.3). На рис. 4.6 приведена вибрация ТНА на третьоктавных частотах в направлениях осей Z, У и X для обоих вариантов трубопровода. Из рисунка видно, что вибрация ТНА для варианта с наклоном оси улитки 30 с ужесточением трубопровода и фундамента меньше чем у исходного варианта трубопровода в диапазоне частот до 90 Гц. Снижение вибрации на низких частотах равно 7 дБ и достигает 8 —23 дБ на более высоких частотах. Вариант системы воздухоснабжения ГД с наклоном оси улитки компрессора ТНА 45. На рис. 4. 7 приведен общий вид расчетной модели системы трубопровода с наклоном улитки компрессора 45. Отличие этого варианта от предыдущего — в расположении участка 89 — 91и в угле наклона участка 91 —95. Расположение этих участков таково, что вид сверху для рассматриваемого и предыдущего вариантов полностью совпадает. Низшие собственные частоты неподкрепленного трубопровода равны 19, 27, 37 и 64 Гц, т.е. некоторые из низких собственных частот стали немного больше, т.к. немного уменьшилась общая длина трубопровода.
В силу того, что варианты системы с наклоном оси улитки 30 и 45 очень близки, мероприятия по ужесточению трубопровода и фундамента одинаковы для обоих вариантов трубопровода (см. приложение П. 1.1). Входные механические сопротивления трубопровода с наклоном оси улитки 45 в узле 95 для неподкрепленного трубопровода и трубопровода с теми же ужесточающими элементами, что и для предыдущего варианта приведены на рис. 4. 8.
