Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технического уровня разработки и производства дизелей энергетических установок средств коллективного спасения экипажей морских судов 11
1.1. Требования к дизелям энергетических установок средств коллективного спасения 11
1.2. Функциональные характеристики дизелей энергетических установок средств коллективного спасения 12
1.3. Проблемы разработки, производства и эксплуатации дизелей энергетических установок средств коллективного спасения и пути их решения 23
1.4. Состояние опытно-конструкторских и научно-исследовательских работ 31
1.5 Выводы. Формулировка цели и постановка задачи исследований..
ІІ. Теоретические основы улучшения функциональных характеристик малоразмерных дизелей энергетических установок средств коллективного спасения 47
2.1. Алгоритм и структурная схема ввода в действие и функционирования ЭУ при реализации стандартной спасательной операции 47
2.2. Критерии оценки функциональных характеристик энергетических установок средств коллективного спасения 55
2.3. Теоретические основы улучшения эксплуатационных качеств энергетических установок средств коллективного спасения 68
2.4. Методика расчета приемистости энергетических установок средств коллективного спасения 81
2.5 Математическое моделирование надежности реализации спасательной операции 87
2.6 Выводы по второй главе 91
III. Увеличение термического сопротивления стенки вихревой камеры теплопередаче и упрощение технологии изготовления коленчатого вала . 93
3.1 Теплопередача через сферическую стенку 93
3.2 Экспериментальное измерение температуры воздуха 99
3.3 Теплопередача через сферическую многослойную стенку 101
3.4 Анализ влияния термообработки на прочностные показатели коленчатого вала 104
3.5Выводы по третьей главе 111
IV. Экспериментальные исследования дизелей энергетических установок средств коллективного спасения 113
4.1 Исследования по реализации стандартных
спасательных операций 116
4.2 Экспериментальное исследование рабочего процесса малоразмерных дизелей типа Ч 9,5/11 120
4.3 Экспериментальное исследование пусковых и маневренных качеств СМД «Каспий 30М» и «Каспий 40» 131
4.4 Экспериментальная установка измерительные устройства методы измерений 144
4.5 Выводы по четвёртой главе 147
Заключение и основные выводы по диссертации 149
Список использованной литературы
- Проблемы разработки, производства и эксплуатации дизелей энергетических установок средств коллективного спасения и пути их решения
- Критерии оценки функциональных характеристик энергетических установок средств коллективного спасения
- Теплопередача через сферическую многослойную стенку
- Экспериментальное исследование пусковых и маневренных качеств СМД «Каспий 30М» и «Каспий 40»
Введение к работе
Актуальность. Основным способом спасения человеческой жизни на море, при возможных авариях и катастрофах, является применение современных моторных средств коллективного спасения (СКС) – спасательных шлюпок, оснащённых эффективными и безотказными энергетическими установками (ЭУ) на базе судовых малоразмерных дизелей (СМД). В этой связи данные дизели должны соответствовать целому ряду особых требований, которые делают их совершенно специфическими машинами.
Актуальность работы обусловлена: большим количеством катастроф на воде с человеческими жертвами; повышением требований к обеспечению безопасности на воде; качественным изменением требований к ЭУ СКС; необходимостью совершенствования существующих и разработки новых эффективных ЭУ СКС. Учитывая особую важность и актуальность указанных задач, в настоящей работе представлены результаты проведенных исследований по повышению надёжности и функциональных характеристик ЭУ спасательных шлюпок морских судов. Основная научная идея диссертационной работы заключается в разработке научных основ и инженерных решений для повышения эффективности работы двигателя внутреннего сгорания путем определения оптимальных сочетаний показателей, влияющих на происходящие в нем процессы, а также теоретического обоснования и разработки рекомендаций по внесению конструктивных изменений в выпускаемые промышленностью двигатели. В качестве базовых двигателей для исследований приняты, серийно выпускаемые промышленностью и используемые в качестве основных отечественных ЭУ СКС, двигатели 4ЧСП9,5/11.
Целью настоящей диссертационной работы является повышение надёжности и функциональных характеристик малоразмерных дизелей с вихрекамерным смесеобразованием энергетических установок средств коллективного спасения.
Для достижения поставленной в диссертации цели необходимо решить следующие задач:
- разработка теоретических основ оперативного ввода в действие ЭУ СКС и определение основных направлений улучшения её функциональных характеристик;
- определение объёма необходимых экспериментальных исследований, описания
экспериментальной базы;
разработка методики проведения экспериментальных исследований;
разработать критерии оценки эффективности функционирования энергетической установки, позволяющие определить степень пригодности судового малоразмерного дизеля для установки на средства коллективного спасения;
- разработать теоретические основы улучшения функциональных характеристик
малоразмерных дизелей энергетических установок средств коллективного спасения
- обобщение особенностей функционирования дизеля ЭУ во всех возможных условиях реализации спасательной операции;
- экспериментальные исследования рабочего процесса и изыскания возможностей
улучшения конструкции и технологии изготовления деталей шлюпочного дизеля,
его пусковых и маневренных качеств.
Объектом исследования является судовой малоразмерный двигатель. Предметов исследования являются процессы протекающие в камере сгорания двигателя.
4 Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования, а также испытания в натурных условиях реализации спасательной операции. Методологической базой диссертации явились научные работы ООО «ЦНИДИ», ЦНИИ им. Крылова, АГТУ, МГТУ им. Баумана, НАМИ, МАДГТУ, других вузов и ОКБ.
Используемые в работе и рекомендуемые для применения на практике показатели надежности функционирования ЭУ СКС при реализации спасательной операции определялись путём математического моделирования, рассматривая процесс реализации спасательной операции, как не восстанавливаемую сложную систему массового обслуживания с временными избытками.
Стендовые экспериментальные исследования проводились в Лаборатории проблем моторной энергетики Института физики Дагестанского научного центра РАН при Астраханском государственном техническом университете. Натурные эксперименты были проведены на базе Махачкалинского морского торгового порта.
Личное участие автора состоит в комплексном решении проблемы повышения функциональных характеристик дизелей типа 4ЧСП9,5/11, устанавливаемых на отечественные СКС и получении научных результатов, отраженных в опубликованных работах, разработке рекомендаций по совершенствованию конструкции и технологии выпускаемых дизелей для ЭУ СКС.
Научная новизна: 1. Впервые в отечественной практике применен комплексный подход к решению проблемы повышения функциональных характеристик дизелей ЭУ СКС, учитывающий взаимосвязь их показателей, параметров и влияние на них условий эксплуатации.
2.Разработаны теоретические основы улучшения функциональных характеристик малоразмерных дизелей энергетических установок средств коллективного спасения
-
Построен алгоритм и структурная схема ввода в действие и функционирования ЭУ при реализации стандартной спасательной операции.
-
Предложена методика комплексной оценки надежности процесса реализации стандартной спасательной операции
-
Определены критерии оценки постоянной готовности, оперативности ввода в действие и энергетической эффективности функционирования ЭУ СКС. Практическая значимость диссертационной работы:
предложен метод расчета продолжительности ввода в действие и расчета приемистости и скорости хода СКС по крутящему моменту коленчатого вала дизеля, который позволит определить требования к дизелям ЭУ СКС на стадии их разработки или подбора автомобильных двигателей для последующей конвертации в судовые;
предложены доступные конструкторско-технологические способы улучшения пусковых характеристик вихрекамерного дизеля;
разработаны предложения, позволяющие при одновременном форсировании двигателя по частоте вращения коленчатого вала создавать ЭУ СКС на базе дизеля 4ЧНСП9,5/11 взамен 4ЧСП8,5/11 и 4ЧСП9,5/11;
- даны практические рекомендации по модернизации вихрекамерных СМД, позволяющие установить цикловую подачу топлива при пуске дизеля в пределах (60-70) мг/цикл при угле опережения подачи топлива (15-18) до ВМТ;
- результаты работы получили одобрение Российского морского регистра
судоходства и используются в учебном процессе в ФГБОУ ВО Волжский
государственный университет водного транспорта.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
- алгоритм и структурная схема ввода в действие и функционирования ЭУ при реализации стандартной спасательной операции.
- методика комплексной оценки надежности процесса реализации стандартной
спасательной операции
- критерии оценки постоянной готовности, оперативности ввода в действие и
энергетической эффективности функционирования ЭУ СКС.
-конструкторско-технологические способы улучшения пусковых характеристик вихрекамерного дизеля.
Достоверность результатов обуславливается использованием общих уравнений теплофизики, термодинамики, обоснованностью исходных теоретических положений принятых при введении упрощенных в физических и математических моделях, а так же согласованием расчетных результатов с экспериментальными данными. Экспериментальные исследования проводились на действующих стендах специализированных лабораторий ФГБОУ ВО «ВГУВТ», ФГБОУ ВО «АГТУ».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на международной научно-практической конференции «Инновационное развитие транспортно-логистического комплекса Прикаспийского макрорегиона» (г. Астрахань, 2013г.-2014г.), на международном нучно-практическом форуме «Великие реки» (Нижний Новгород, 2013), на Втором балтийском международном форуме (г. Калининград, 2014 г.), на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава «ВГАВТ» (г. Нижний Новгород, 2010-2014 г.г.)
Личный вклад. В диссертации представлены результаты исследования полученные автором самостоятельно. Автору принадлежит:
постановка задачи исследования;
анализ литературных источников;
разработка методик и проведение экспериментальных исследований;
обработка полученных результатов и их обобщение;
- выработка практических рекомендаций.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в
десяти печатных работах, в том числе в трёх научных изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 162 страницах машинописного текста, содержит 9 таблиц, 34 рисунка и список литературы включающий 111 наименований.
Проблемы разработки, производства и эксплуатации дизелей энергетических установок средств коллективного спасения и пути их решения
Специфические условия эксплуатации СКС и их ЭУ обуславливает необходимость наделения двигателей, узлов и механизмов, принятых за базовые для создания ЭУ, определенными эксплуатационными качествами, характеризующими степень выполнения ими возложенных функций и позволяющие в совокупности оценить совершенство разработки и производства изделия в процессе их эксплуатации. Функциональные характеристики ЭУ могут быть оценены: надежностью ввода в действие и последующей работой; энергетической эффективностью и экономичностью; способностью устойчиво функционировать на всех режимах, в любых возможных условиях эксплуатации; пусковыми и маневренными качествами.
Следует отметить, что в литературе недостаточно освещены вопросы, посвященные исследованиям эксплуатационных качеств малоразмерных дизелей Ч 8,5/11 и Ч 9,5/11, на базе которых созданы ЭУ для отечественных СКС, не определены показатели оценки уровня их эффективности, имеющие решающие значения для СКС. В связи с этим в работе сделана попытка последовательно рассмотреть эксплуатационные качества ЭУ СКС с целью установления наиболее важных показателей оценки их технического уровня.
Энергетическая эффективность и экономичность дизелей ЭУ СКС. Энергетическая эффективность ЭУ СКС характеризуется работой двигателя, оцениваемой его средним эффективным давлением ре, эффективной мощностью двигателя Ne и эффективным крутящим моментом на гребном винте Ме.
Из выражения (1.1) следует, что располагаемая эффективная мощность Ne определяется величиной ре, которая в свою очередь зависит от индикаторного и механического КПД двигателя, следовательно эффективного КПД. Существенное влияние на буксировочную мощность Nв и эффективность ЭУ оказывают механические потери во входящих в нее узлах и механизмах или КПД ( пк) пропульсивного комплекса. Nв = Nе Л пк
Таким образом, буксировочная мощность зависит от показателей, характеризующих энергетическую эффективность и механические потери в двигателе и в пропульсивном комплексе ЭУ. Вполне естественно, что предпочтительным является сочетание максимальных значений эффективности и экономичности, а также минимальные значения механических потерь. На практике реализовать такое стремление очень трудно и приходится искать компромиссные технические решения.
Применение газотурбинного наддува позволяет получить высокие значения ре, снизить удельный расход топлива ge и на этой основе существенно повысить энергетическую эффективность и экономичность дизеля. Однако, для малоразмерных дизелей в составе ЭУ СКС, вследствие усложнения конструкции и снижения надежности работы дизеля, газотурбинный наддув на сегодняшний день не получил распространения.
В этой связи, значения ре = 0,7… 0,8 МПа, достигнутые для лучших образцов зарубежных фирм (например: Опель Омега, ДТ358 - Германия; Д3000Т - США; ЕС 1200 - Япония; ХДП690 - Франция;) считаем возможным и целесообразным достичь путем применения инерционного наддува, лучшего профилирования каналов впускных и выпускных трактов, увеличения количества каналов, исследования, разработки и внедрения других способов улучшения смесеобразования и на этой основе обеспечить повышение эффективности дизелей Ч 8,5/11 и Ч 9,5/11 и ЭУ СКС на их базе. Существенным резервом для повышения эффективности ЭУ является снижение механических потерь в двигателе и пропульсивном комплексе, а также увеличение частоты вращения коленчатого вала, которое дает пропорциональное приращение мощности. Для оценки эксплуатационных качеств ЭУ и их дизелей знание одних лишь величин удельных расходов топлива gе и масла gм на номинальных режимах не достаточно. Необходимо учитывать характер их изменения в зависимости от режима работы. Кроме того, в процессе эксплуатации gе и gм возрастают вследствие износов, ухудшения индикаторных показателей и повышения механических потерь из-за нарушения регулировок, режимов смазки и охлаждения, появления наростов на корпусе судна и гребном винте и т.д.
В этой связи паспортные данные по gе и gм, установленные в результате стендовых испытаний двигателя не совпадают с эксплуатационными и их приходится периодически проверять и корректировать в сторону повышения. Технически обоснованные нормы и пределы повышения gе и gм в процессе эксплуатации пока не разработаны.
Критерии оценки функциональных характеристик энергетических установок средств коллективного спасения
Энергетическая установка разработана и изготавливается на заводе «Дагдизель» и представляет собой двигатель внутреннего сгорания (4) с воспламенением от сжатия, оборудованный: реверсивно-редукторной передачей (3) для разобщения валопровода (2) от двигателя, обеспечения требуемой частоты вращения гребного винта (1) и движения СКС передним и задним ходом; водяными насосами для осушения СКС (7) и орошения танкерного СКС (9); основной – ручной и дублирующей –электростартерной системами пуска и другими узлами систем жизнеобеспечения ЭУ и СКС.
Для проведения теоретических и экспериментальных исследований с целью повышения оперативности ввода в действие и улучшения функциональных характеристик ЭУ СКС возникла необходимость в разработке алгоритма функционирования и структурной схемы ввода в действие ЭУ при реализации стандартной спасательной операции. На их базе целесообразно исследовать параметры и показатели, как ЭУ, так и судна в целом и на основе научного раскрытия взаимосвязей между ними, установить закономерности повышения оперативности ввода в действие и улучшения эксплуатационных качеств, а также разработать: - критерии оценки постоянной готовности, оперативности ввода в действие, надежности функционирования и энергетической эффективности; - основы повышения сохраняемости, надежности ввода в действие и функционирования, пусковых и маневренных свойств дизеля ЭУ СКС. Моторные СКС согласно международных и национальных норм, хранятся на судах в состоянии постоянной готовности для немедленного использования в любых условиях возможных в эксплуатации. К ним прибегают только в трех случаях, при: проведении плановых учебных или тренировочных занятий для экипажа или пассажиров; оказании помощи и спасении лиц оказавшихся за бортом судна; эвакуации экипажа и пассажиров с терпящего бедствие судна. После того, как борьба за живучесть аварийного судна признана безнадежной и дальнейшее пребывание пассажиров и экипажа на гибнущем судне опасно для их жизней, по команде «Оставить судно» начинается спасательная операция. Стандартная спасательная операция [8] , реализуемая последовательно и беспрерывно состоит из множества подопераций, выполняемых часто параллельно, а вся операция состоит из пяти этапов (рис.2.2).
На первом этапе осуществляется параллельно сбор экипажа и пассажиров для посадки в СКС, подготовку СКС для посадки людей и ЭУ для пуска, а также запуск ЭУ на палубе. Одновременное выполнение операций сбора людей у мест посадки, подготовки СКС для посадки людей и ЭУ к пуску, а также ввода ЭУ в действие позволяет сократить продолжительность первого этапа и определить его величину.
По данным М.М. Аливагабова, М.А. Масуева [7-16], продолжительность подготовки т0 и пуска тП двигателя в сумме не должна превышать продолжительность сбора людей к месту посадки в СКС (?СБ), а продолжительность подготовки СКС для посадки людей т ПСКС должна быть меньше тСБ . В связи с тем, что условие г ПСКС тСБ , как правило, всегда соблюдается, из-за малой трудоемкости подготовки СКС для посадки людей и сложности операций сбора людей к местам посадки в СКС, можно написать: т0 + тП тСБ. Следовательно, предельно допустимые продолжительности операций подготовки и пуска двигателя можно определить по наименьшему значению СБ.
По данным работы [5,8] наименьшая продолжительность операций сбора людей к месту посадки в СКС зависит от скорости движения членов экипажа и пассажиров по коридорам, трапам и открытым участкам палубы, их возраста и пола, времени суток и освещенности, крена судна и многих других факторов и поэтому всегда имеет определенное значение, величина, СКС и ЭУ находятся на судне в постоянной готовности к вводу в действие для эвакуации пассажиров и экипажа в случае морской катастрофы
Морская катастрофа Борьба за живучесть судна Команда «Оставить судно» Начало спасательной операции Подготовка СКС и ЭУ к пуску Сбор людей для посадки в СКС Пуск ЭУ СКС Прогрев ЭУ на холостом ходу без воды в системе охлаждения Посадка людей на СКС Спуск СКС на воду Подача в систему охлаждения ЭУ забортной воды с температурой до 271 К Ввод ЭУ под полную нагрузку Отход СКС от борта судна со скоростью не менее 3,1 м/с Безотказная работа ЭУ в случае переворачивания СКС в положении, перевернутом на 1800 в течение 10с. Безотказная работа ЭУ в случае попадания воды в СКС и затоплении по линию оси коленчатого вала Безотказная работа ЭУ СКС при прохождении через зону огня в течении 8 – 10мин в случае загорания вылившегося топлива или нефти Рисунок 2.2. Алгоритм функционирования ЭУ при реализации стандартной спасательной операции. которой, например, на рыболовных и грузовых судах длинною до 100 м и с экипажем до 22 человек составляет (120…150) с. Во всех остальных случаях, где используются моторные СКС тСБ 120 с. Это позволяет сделать вывод для последующей части работы, который формулируется следующим образом. На подготовку и пуск ЭУ, без ущерба для спасательной операции, можно затратить до 120 с. И это не противоречит требованию обеспечения немедленного ее ввода в действие. Согласно Правил Российского Морского Регистра Судоходства и ГОСТ 10150 дизель ЭУ должна запускаться с одной из трех попыток, реализуемых за 60 с. В связи с изложенным для первого этапа спасательной операции можно принять:
На втором этапе осуществляется параллельно посадка людей в СКС и прогрев двигателя на холостом ходу на палубе без воды в системе охлаждения в течение не более 7 10 мин. Одновременное выполнение указанных операций позволяет сократить продолжительность второго этапа и определить продолжительность начальной стадии прогрева двигателя. Продолжительность второго этапа т ПС , как и первого, зависит от раз-личных факторов и одновременно определяет продолжительность начальной стадии прогрева двигателя. Для оценки т ПС можно использовать замеры времени посадки людей в СКС, выполненные в натурных условиях [1, 6], которые совпадают с продолжительностью не более 180с, установленной Международной конвенцией СО ЛАС. Поэтому продолжительность начальной стадии прогрева двигателя на СКС можно принять равной тПС = 180с.
Теплопередача через сферическую многослойную стенку
Графики изменения вероятностей безотказной работы в процессе эксплуатации у различных деталей отличаются друг от друга (рис. 2.4). В процессе эксплуатации вероятность безотказной работы деталей и узлов снижается и при достижении предельно допустимого уровня (в данном случае для ЭУ СКС – 0,9) выполняется техническое обслуживание, которое призвано восстановить показатели надежности этих деталей до первона-чального уровня за счет профилактических работ, ремонта или замены.
Особенностью проведения ТО для ЭУ СКС является то, что они проводятся без учета фактического состояния параметров надежности отдельных деталей и выполняются при подготовке к проведению плановых учений по реализации спасательной операции – один раз в три месяца (tТО на рис.2.6). При этом может оказаться, что показатели надежности некоторых деталей (детали 1 и 2 на рис. 2.4) достигают нижнего предела уровня безотказной работы задолго до наступления срока планового обслуживания. Вероятность отказа этих деталей увеличивается до недопустимых значений, а следовательно повышается опасность отказов ЭУ СКС в целом, что может привести к срыву реализации спасательной операции.
Чтобы избежать такой опасности необходимо провести эксплуатационные исследования надежности работы отдельных деталей ЭУ. На основании этих исследований деталям, имеющим по параметрам надежности ресурс до ТО ниже срока установленного по требованиям СОЛАС [111], должен быть повышен уровень надежности работы за счет использования при их изготовлении более качественных материалов, улучшения конструкции и повышения качества производства.
Наряду с эксплуатационной надежностью для ЭУ СКС особое значение имеет оперативность ввода в действие, а также надежное функционирование при прогреве на холостых оборотах без воды в системе охлаждения и после спуска на воду при работе с полной нагрузкой. Повышение оперативности ввода ЭУ СКС в действие. Успех реализации спасательной операции во многом определяется продолжительностью подготовки, безотказным пуском и быстрым прогревом дизеля ЭУ на холостом ходу без воды в системе охлаждения. После длительного хранения на СКС продолжительность подготовки ЭУ к пуску не должна превышать 60с. В связи с этим в подготовку ЭУ могут быть включены только простейшие операции, для выполнения которых не требуется специального инструмента приспособлений и высокой квалификации.
Количество подготовительных операций должно быть сведено до минимума, оставив только те операции, которые не могут быть выполнены заранее. К ним относятся: подключение в цепь аккумуляторных батарей путем перевода рукоятки включателя в положение «Вкл.»; подключение топливного бака, путем перевода рукоятки крана в положение «Открыто»; заполнение топливной системы низкого давления путем перекачки топлива ручным топливоподкачивающим насосом, расположенным на топливном насосе; открытие крана на кингстоне; проверка положений рукояток управления ЭУ; заправка пускового приспособления ампулой с пусковой жидкостью при температуре окружающей среды ниже 278К или отказе электростартерной дублирующей системы пуска; страгивание коленчатого вала из состояния покоя.
Уравнение (3.6.) для определения т о позволяет обоснованно выбрать конструктивные решения, обеспечивающие подготовку к пуску ЭУ, за время не более 60с. По завершении подготовки приступают к пуску, продолжительность которой зависит от большого числа различных конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов и не может превышать также 60с. [10].
Основные трудности пуска ЭУ при низких температурах выявлены многими исследователями [27, 33, 39, 59, 62, 68, 80, 108], и в основном обусловлены снижением угловой скорости вращения коленчатого вала и средней скорости поршня (Сm) в режиме пуска. При значениях Сm ниже определенного предела, теплоотдача в холодные стенки и утечки заряда воздуха повышаются и вследствие этого, параметры заряда воздуха, температура и давление в конце сжатия не достигают уровня, при котором возможно самовоспламенение топлива [44, 82]. Вместе с тем, создание в цилиндрах ЭУ условий, обеспечивающих самовоспламенение топливно-воздушной смеси является необходимым, но еще недостаточным условием пуска. Если после первых вспышек не возникает устойчивое воспламенение топлива в цилиндрах, то ЭУ медленно разгоняется на вспышках или, не сумев самостоятельно работать, глохнет и попытку пуска ЭУ приходится повторять.
В связи с этим продолжительность пуска ЭУ СКС можно рассматривать как сумму времени, необходимого для выполнения пусковых попыток разгона коленчатого вала до начала самовоспламенения топлива (1) и на вспышках до режима, при котором обеспечивается самостоятельная работа (2), т.е. можно записать:
В связи с тем, что пуск считается надежным, если ЭУ запускается с трех последовательных попыток, в настоящей работе количество попыток пуска было принято равным трем, при условии, что Тп 60с. Пi = п / 3 20с. Такой подход является обоснованным, т.к. ЭУ после длительного бездействия в СКС, особенно при пониженных температурах, по различным причинам редко запускается с первой попытки.
Анализ пусковой разгонной характеристики позволяет записать: вв 0 + (1+ 2)i + 3 + пр + пп , (2.8) i=1 где: Твв - продолжительность ввода в действие ЭУ; 0 - продолжительность подготовки ЭУ к пуску, не более 60с; 1 - продолжительность разгона коленчатого вала только с помощью пускового устройства; 2 - продолжительность разгона коленчатого вала с помощью пускового устройства и отдельных вспышек в цилиндрах двигателя; 3 -продолжительность разгона коленчатого вала после отключения пускового устройства, с помощью устойчивых вспышек в цилиндрах; пр -продолжительность прогрева двигателя для принятия полной нагрузки; пп - приемистость ЭУ по частоте вращения коленчатого вала. В начальный период пуска, при страгивании и разгоне коленчатого вала с помощью пускового устройства (1), частота вращения вала повышается. n, с 15 12 9 6 3 0 2 4 6 8 10 12 П, с Рисунок 2.5. Пусковая (разгонная) характеристика дизеля 4 ЧСП 9,5/11 Продолжительность начального периода пуска определяется временем, необходимым для повышения частоты вращения вала до величины, достаточной для создания в цилиндрах условий, при которых становится возможным воспламенение топлива, хотя бы в одном цилиндре (рис. 2.5). Разгон дизеля в последующий период (2) определяется соотношением крутящих моментов пускового устройства и дизеля с одной стороны и момента сопротивления вращению коленчатого вала с другой. Совершаемая в цилиндрах работа должна быть достаточной для разгона дизеля после отключения пускового устройства.
Экспериментальное исследование пусковых и маневренных качеств СМД «Каспий 30М» и «Каспий 40»
Испытания проводились в акватории Махачкалинского морского порта. На рис. 4.2 показан спуск на воду спасательной шлюпки «Greven V». Выполненные расчеты и технические параметры для спасательной шлюпки проекта 00022 с дизелем ЭУ «Каспий 30М» (4ЧСП 9,5/11) и спасательной шлюпки «Greven V» с силовой установкой марки MG2 фирмы «Лестер» представлены в табл. 4.1. пассажировместимости (26 и 35 человек) и при посадке только 5 человек. Результаты экспериментальных исследований представлены в табл. 4.2.
Посадка пассажиров (26 и 35 человек) осуществлялась одновременно с подготовкой к пуску, пуском и прогревом дизеля на палубе. Продолжительность операции составило 78 и 105 секунд соответственно. Продолжительность подготовки к спуску и спуск шлюпки на воду составили 107 и 103 секунды соответственно.
Продолжительность ввода в действие ДЭУ с учетом приемистости по числу оборотов коленчатого вала составили 217 и 246 секунд соответственно.
При проведении настоящих учений продолжительность каждой из отдельных операций при реализации стандартной спасательной операции не превысили максимальных продолжительностей, установленных требованиями СОЛАС. Сравнительный анализ спасательных шлюпок проекта 00022 и «Greven V», несмотря на различие пассажировместимости имеют близкие характеристики, что можно объяснить созданием их по единым международным требованиям. Вместе с тем, дизельные энергетические установки этих шлюпок имеют существенные различия. Так, ЭУ спасательной шлюпки проекта 00022 создана на базе четырехцилиндрового малоразмерного дизеля 4 ЧСП 8,5/11 – 5 мощностью 22 кВт с вихревой камерой сгорания, частотой вращения коленчатого вала 31,66 с-1, а ЭУ шлюпки «Greven V» - на базе двухцилиндрового дизеля MG2 мощностью 21,4 кВт при частоте вращения коленчатого вала 60 с-1.
Отечественные дизели для спасательных шлюпок проигрывают по таким важным эксплуатационным характеристикам как пусковые качества, количество людей, необходимых для осуществления пуска дизеля вручную, удельная мощность, массогабаритные показатели и топливная экономичность. Наличие вихревой камеры не позволяет гарантировать их пуск без использования свечей накаливания или других средств облегчения воспламенения топлива при температурах окружающей среды ниже 273 К. Для пуска четырехцилиндрового дизеля с вихревой камерой вручную требуется усилие 4-х человек, тогда как двухцилиндровый дизель с камерой сгорания в поршне может запустить один человек.
Перевод дизелей на камеру сгорания в поршне позволяет обеспечить высокую топливную экономичность и хорошие пусковые качества, повысить механический КПД и эффективность дизеля. Снижения массогабаритных показателей можно добиться уменьшением числа цилиндров с 4-х до 2-х, при этом требуемая агрегатная мощность может быть обеспечена за счет форсирования дизеля по числу оборотов с 31,66 с-1 до 60 с-1. Следует учесть, что перевод на такие двигатели потребует использования более качественных материалов, высокой точности и качества изготовления деталей, совершенствования технологии и повышения культуры производства дизелей.
Комплекс выполненных моторных исследований можно разделить на три наиболее важные группы, посвященные: изучению особенностей организации рабочего процесса в малоразмерных дизелях типа Ч 9,5/11; изучению особенностей маневренных качеств ЭУ малой мощности; изучению и повышению эксплуатационных качеств ЭУ малых судов. Моторные исследования СМД имели своей целью: определение оптимальных путей организации стабильного и высокоэкономичного рабочего процесса; - выяснение оптимальных пределов форсирования по частоте вращения коленчатого вала n и среднему эффективному давлению ре; - изучение принципиальных закономерностей повышения эксплуатационной эффективности функционирования ЭУ малой мощности путем форсирования СМД по n и ре, снижения удельных расходов топлива ge и масла gm, а также потерь в пропульсивном комплексе; - определение оптимальных путей достижения постоянной готовности и оперативности ввода в действие ЭУ; - изучение принципиальных закономерностей разгона коленчатого вала в режиме ввода в действие ЭУ, достоверное и обоснованное его описание и определение момента сопротивления проворачиванию коленчатого вала при температурах от 258К, характерных для условий эксплуатации ЭУ СКС; - изучение пусковых качеств СМД и установление оптимальных для пусковых и рабочих режимов значений степени сжатия є , цикловой подачи топлива q4, угла опережения подачи топлива и вязкости моторного масла. Модельные и эксплуатационные исследования надежности заключались: - в определении конструктивных, технологических и эксплуатационных условий, при которых ЭУ СКС может обладать максимальной надежностью [Р(t)1], при реализации стандартной спасательной операции; - в сборе и анализе статистической информации по эксплуатационной надежности ЭУ СКС различных морских судов, в том числе иностранного производства; - определении оптимальных путей организации безотказного ввода в действие и функционирования ЭУ в спецификационных и неспецификацион-ных условиях эксплуатации СКС, достоверного и обоснованного установления факторов, решающим образом влияющих на сохраняемость и надежность ЭУ в условиях всего срока службы до списания СКС.
Основные результаты выполненных исследований были положены в основу теоретических разработок направлений: - улучшения эксплуатационных качеств ЭУ: «Каспий 30М» и «Каспий 40»; - повышения компактности и снижения массо-габаритных характеристик ЭУ малой мощности.