Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Формализация проблемы, постановка задач иссследования 11
1.1 Перспективы развития водного транспорта и его энергетических установок 11
1.2 Общая методология проектирования сложных технических систем 14
1.3 Понятие «прогнозирование» и его роль в жизненном цикле сложных технических систем 18
1.4 Существующие подходы к прогнозированию параметров технических систем 19
1.5 Системное представление о режимах работы главных судовых дизелей и особенности прогнозирования их параметров 22
1.6 Общая характеристика состояния вопроса, постановка задач исследования 28
ГЛАВА 2. Методики проведения исследований, объекты и эксперементальные установки 30
2.1 Объекты исследований 30
2.2 Методики проведения исследований
2.2.1 Методика исследования по формированию и оценке технического облика судового дизеля 40
2.2.2 Методика исследования по обоснованию выбора математической модели, прогнозированию и улучшению эксплуатационных показателей судового дизеля на этапе доводки его рабочего процесса 44
2.2.3 Методика исследования при разработке метода улучшения переходных процессов в элементах в СДУ путем согласования характеристик дизеля и передачи 51
2.3 Экспериментальные установки, измерительная аппаратура и погрешность исследований 53
2.3.1 Погрешность измерений при исследовании показателей, характеризующих технический облик судового дизеля 53
2.3.2 Экспериментальная установка, аппаратура и погрешность измерений при исследовании рабочего процесса дизеля
2.3.3 Экспериментальная установка, аппаратура и погрешность измерений при проведении исследований процесса реверсирования с использование фрикционной муфты 57
ГЛАВА 3. Разработка методики формирования и оценки технического облика судового высокооборотного дизеля на раннем этапе проектирования 62
3.1 Обоснование выбора модели 62
3.2 Определение конструктивных и эксплуатационных ограничений модели прогнозирования 68
3.3 Выбор целевых показателей проектирования и моделирование вариантов конструкции для прогнозных оценок 72
3.4 Нормирование параметров прогнозной модели 79
3.4.1 Анализ и нормирование количественных признаков оценки 79
3.4.1 Нормирование качественных признаков оценки по шкале желательности 82
3.5 Апробация предлагаемой модели прогнозирования 85
3.6 Прогноз развития конструкции и изменения основных параметров высокооборотных дизелей 86
ГЛАВА 4. Разработка методики прогнозирования и улучшения эксплуатационных показателей судового дизеля на этапе проектирования и доводки рабочего процесса 90
4.1 Исследование и разработка методических основ расчета рабочего процесса перспективных судовых дизелей на стадии их проектирования и доводки 90
4.2 Методика расчетно-экспериментальной определение характеристики сгорания топлива в цилиндре опытного судового дизеля 95
4.3 Исследование процесса сгорания в цилиндре опытного дизеля, настройка математической модели 97
4.4 Расчетно-экспериментальные исследования выгорания топлива в цилиндре опытного дизеля 12ЧН18/20 и оценка достоверности полученных результатов 108
4.5 Расчетно- экспериментальные исследования и
разработка рекомендаций по повышению эффективности рабочего процесса опытного дизеля 125
ГЛАВА 5. Разработка методики улучшения протекания переходных процессов в СДУ путем согласования характеристик дизеля и передачи 140
5.1 Особенности эксплуатации судового дизеля на переходных режимах 141
5.2 Особенности проектирования гидроуправляемых судовых соединительно-разобщительных фрикционных муфт 148
5.3 Математическая модель расчета конструктивных характеристик фрикционной муфты 152
5.4 реализация с помощью конструкторских решений настраиваемого закона управления фрикционной
муфты 154
5.5 Результаты экспериментального исследования процесса реверсирования с применением гидроуправляемых фрикционных муфт 157
Заключение 160
Список используемой литературы
- Существующие подходы к прогнозированию параметров технических систем
- Методика исследования по обоснованию выбора математической модели, прогнозированию и улучшению эксплуатационных показателей судового дизеля на этапе доводки его рабочего процесса
- Определение конструктивных и эксплуатационных ограничений модели прогнозирования
- Методика расчетно-экспериментальной определение характеристики сгорания топлива в цилиндре опытного судового дизеля
Существующие подходы к прогнозированию параметров технических систем
В материалах круглого стола «Проектирование гражданских судов российскими проектными организациями: состояние, проблемы нормативно-правового обеспечения и пути их решения» [77] в качестве одной из главных проблем отрасли судового дизелестроения выделяют отсутствии выверенных последовательных методических подходов к проектированию новой техники, отвечающей современным требованиям эффективности эксплуатации судов и их энергетических установок. При этом отмечается, что при проектировании СДУ используют как типовые решения, отработанные в последние десятилетия (суда проекта 16530 и др.), так и новые решения с двигателями нового поколения. Причем учитывая, что большинство выпускаемых в настоящее время отечественных судовых дизелей или уступают по своим характеристикам зарубежным аналогам, или имеют ограниченный потенциал конструктивной модернизации, обеспечивающий их конкурентоспособность лишь в течение ближайших 4-5 лет на судах гражданской постройки все больше находят применение двигатели зарубежных производителей [36].
Большое внимание проблемам проектирования и выбора направления развития СДВС и СДУ уделено в работах А.С. Орлина [26], Н.Д. Чайнова [47], P.M. Петриченко [103], В.А. Ваншейдта [14], Н.Н. Иванченко [32], В.К. Румба [83, 91], Г.А. Артемонова [10], Л.В. Тузова [95], А.А. Иванченко [33].
В работе [33], под процессом проектирования энергетической установки судна рассматривают весь комплекс технико-экономических и эксплуатационных показателей, определяющих эффективность эксплуатации судна. При этом отмечается, что глубина проработки вопроса зависит от стадии жизненного цикла создаваемой СДУ.
Проблемам оценки эффективности параметров СДУ и ее элементов посвящено большое количество работ, среди которых отметим исследования Е.Н. Климова [45], В.А. Сизых [88], Г.А. Конакова [46]. Оценку эффективности работы СДУ в зависимости от сложности поставленной задачи проектирования, этапа работ и конкретного объекта проектирования рекомендуют рассматривать различные критерии эффективности работы энергетической установки и ее элементов. Из чего можно сделать вывод, что при проектировании СДУ необходимо использовать различные подходы к составлению моделей проектируемых элементов и различную степень их достоверности и соответствия реальным процессам.
В работе [83] отмечается, что решение проблемы повышения эффективности эксплуатации судна, относится к ранним этапам проектирования и комплексно связано с параметрами главных двигателей и режимами их эксплуатации в составе гидромеханического (пропульсивного) комплекса, а также составу судовой главной энергетической установки.
Увеличение номенклатуры и усложнение конструкции двигателей, повышение требований к качеству их изготовления, с одной стороны, ограниченнее по материальных, людским и временным ресурсам, с другой стороны, породили существующие условия и подходы к проектированию судовых дизельный энергетических установок и их элементов.
В этих условиях для получения качественных технических решений требуется обработка в ограниченное время огромного объема информации и согласование работ больших коллективов людей, когда цена ошибки в технических и организационных решениях возрастает во много раз, использование традиционных механизмов проектирования затруднено.
Согласно определению, предложенному В.А. Ваншейдтом [14], под процессом проектирования понимается один из этапов инженерной творческой деятельности, направленной на создания новых материальных объектов. Отправной точкой для проектирования в данном случае считается постановка задач, определяющих необходимость таких объектов. При этом основной целью проектирования является выявление и конкретизация оптимальных технических решений, отвечающих поставленным задачам. Конечным результатом проектирования в данном случае является выработка определённого объёма информации, на основе которой при наличии соответствующей производственной базы может быть осуществлено изготовление новых объектов техники.
Процесс проектирования входит в определение понятия жизненного цикла технической системы, регламентируется ГОСТ Р 15.201-2000 [1] и ГОСТ Р 53791-2010 [2] и включают в себя несколько этапов. Которые, не нарушая установленную логику можно разделить на 3 группы: формирование технического облика судового дизеля (составление технического задания, технического предложения и эскизного проекта), проектирования и доводки конструкции (технический проект - рабоче-конструкторская документация -изготовление, испытания), улучшение характеристик в процессе эксплуатации (поддержание жизненного цикла).
Процесс проектирования, как правило, происходит в одинаковой последовательности, наглядно описанной в работах Р. М. Петриченко [103], А.А. Иванченко [33], и имеет циклических характер, включающий в себя синтеза и анализ конструкции.
В настоящее время задачи синтеза конструкции принято разделять на пять уровней сложности. Как правило, в отечественных отраслевых КБ задача конструирования судовой СДУ ограничивается 1-ми 2-м уровнем сложности: заказчику предлагают несколько прототипов, из которых он выбирает один, не редко заказчик строительства сам назначает судно прототип, а также дает рекомендации по установке оборудования в машинное отделение. При таком подходе существует вероятность, что к моменту постройки судна у конкурирующих с заказчиком фирм появятся суда, превосходящие построенное судно по целому ряду показателей. Для решения задач 3-5 уровня сложности синтеза конструкции необходимо создание достоверной модели процессов, присутствующих в работе СДУ в условиях эксплуатации. Подобная модель позволяет оценивать влияние изменения эксплуатационных условий на показатели СДУ. В результате применения такой модели на ранних стадиях проектирования судового дизельного двигателя можно с достаточной степенью точности оценить (спрогнозировать) эффективность его работы в составе пропульсивного комплекса судна, а также своевременно внести конструктивные изменения в проект, позволяющие на этапе сдаточных испытаний избежать существенных отклонения от требований, заданных в ТЗ на судно.
Методика исследования по обоснованию выбора математической модели, прогнозированию и улучшению эксплуатационных показателей судового дизеля на этапе доводки его рабочего процесса
Гидравлические аккумуляторы содержат топливо под высоким давлением и связаны с форсунками и ТНВД топливопроводами высокого давления. Гидравлические аккумуляторы обеспечивают демпфирование колебаний давления топлива, возникающих из-за пульсаций подачи ТНВД и работы форсунок во время впрыска, а также постоянство давления впрыска при открытии форсунки.
Принципиальная схема и 3D модель топливной системы представлены нарис. 2.5. Согласованное управление форсунками, топливным насосом высокого давления и дизелем в целом осуществляется микропроцессорным блоком управления (электронным регулятором) по программе. В электронном блоке управления кроме управления частотой вращения KB выполняются следующие функции: - настройка стартовой подачи топлива. При необходимости, стартовая подача может быть задана в зависимости от температуры. Кроме того, может осуществляться переменная стартовая подача, при которой подача топлива автоматически увеличивается в течение пуска двигателя. - ограничение подачи топлива в зависимости от частоты вращения КВ. Имеется возможность запрограммировать кривые ограничения подачи в зависимости от частоты вращения КВ. - ограничение подачи топлива в зависимости от давления наддува. У двигателей с турбонаддувом подача топлива может уменьшаться для достижения бездымной работы при отсутствии давления наддува (например, при запуске или изменении нагрузки). - контролируемое начало подачи. Начало и продолжительность подачи топлива могут быть запрограммированы с помощью карт с описаниями соответствующей ограничивающей области значений. Кроме того, существует возможность настройки каждого цилиндра. Упрощенная схема управления топливоподачей дизеля при использовании аккумуляторной топливной системы представлена на рис. 2.5. палэтзтогшпподназндзвленкмпоскфнктрттопшЛочгпа! эдектртнсспг смдаша 1 подача тоглию под высшм дашкжої -кпюшдшэюзроаагниговЦкуюЕ: елвтогшеа Р01 18 5япси«»пжт подача пасла in ыасшюп системы двгатеи еле кэш в шсажро снетшу двгзтел / - топливный насос высокого давления (ТНВД); 2-регулятор производительности ТНВД (встроен в ТНВД); 3 - топливопроводы высокого давления; 4 - аккумулятор - разветвитель; 5 - предохранительный клапан (встроен в аккумулятор - разветвитель); б - форсунка; 7 - аварийный ограничитель подачи (встроен в форсунку); 8 - датчик температуры топлива; 9 - датчик высокого давления топлива
Система управления дизелем в общем случае обеспечивает автоматическое регулирование частоты вращения и мощности в соответствии с классом точности В\ по ГОСТ 10511, а также позволяет менять настройки топливной аппаратуры непосредственно в процессе испытаний, тем самым осуществляя выбор оптимальных настроек по определяемой мгновенной цикловой подаче топлива.
Многодисковая фрикционная муфта (ФМ) производства ОАО «ЗВЕЗДА», установленная в составе редукторной передачи РРП6000 (по ТУ 24.06.РРП6000-2007), (см рис. 2.7,а) и применяемой на судне совместно с дизельного двигателя Д49 (16ЧН26/26) рассматривалась в качестве объекта исследования при разработке метода улучшения переходных процессов в элементах дизельной установки комплекса совершенствованием конструкции передачи. Внешний вид редукторной передачи представлен на рис. 2.7, б.
Ведомая часть ФМ включает в себя восемь стальных фрикционных дисков 5 с внутренними шлицами, которыми они сцеплены с поводком 10. Диски также имеют возможность перемещения по шлицам поводка. Поводок 10 устанавливается на шлицах на носовом консольном конце вала-шестерни 3. Сжатие ведущих и ведомых дисков муфты производится поршнем гидроцилиндра 8, уплотнение рабочей полости гидроцилиндра осуществляется посредством поршневых колец. Для возврата поршня гидроцилиндра 8 в исходное положение, в поршень устанавливается на стержнях ряд пружин 7. Стержни закреплены в цапфе 9 и уплотняются в ней посредством резиновых колец.
Подвод масла управления в гидроцилиндр муфты осуществляется по вертикальной телескопической трубе 1 и через кольцедержатель 14, уплотняемый поршневыми кольцами. Далее масло движется по сверлениям деталей вала-шестерни и трубе 11, которая одним концом устанавливается и свободно вращается в трубе 12, другим - во втулке цапфы 9. Масляные полости втулки уплотняются резиновыми кольцами и сообщаются посредством сверлений в цапфе 9 с рабочей полостью гидроцилиндра. Подвод масла на смазку и охлаждение ФМ осуществляется также по вертикальной телескопической трубе 2 и через кольцедержатель 13, уплотняемый поршневыми кольцами. Далее масло движется по кольцевому каналу, образованному трубами 12 и 11, сверлениям в вал-шестерне 3 и каналам поводка 10 на смазку фрикционных дисков.
Включение ФМ осуществляется подачей масла в рабочую полость гидроцилиндра, который при этом, перемещаясь, приводит в соприкосновение фрикционные диски 4 и 5. По мере повышения давления в гидроцилиндре постепенно прекращается проскальзывание дисков друг относительно друга, чем обеспечивается включение муфты и передача крутящего момента от входного фланца редуктора и ведущей части ФМ на ведомую шестерню переднего хода 3.
Выключение ФМ достигается прекращением подачи масла в рабочую полость гидроцилиндра, сливом масла из полости гидроцилиндра через дренажные отверстия и перемещением поршня гидроцилиндра 8 в исходное положение пружинами 7. Ведущие 4 и ведомые 5 фрикционные диски под действием масла, подаваемого на смазку, раздвигаются до положения, исключающего их взаимное касание.
Для обеспечения реверсирования гребного валопровода в составе редуктора должно быть две ФМ, переднего и заднего хода. Изменение направления вращения на противоположное достигается включением в кинематическую цепь редуктора в режиме заднего хода дополнительной колесной пары - так называемых зубчатых колес связи.
Определение конструктивных и эксплуатационных ограничений модели прогнозирования
В качестве целевых показателей проектирования примем цилиндровую мощность, обороты KB и среднее эффективное давление. Данные показатели во многом определяют сферу применения дизеля, а также являются его основной конкурентной особенностью.
Выбор величины цилиндровой мощности Рц связан с необходимостью определения круга потребителей разрабатываемой конструкции дизеля. При выборе Рц необходимо учитывать динамику роста потребляемой мощности у выбранных потребителей.
Для выбора цилиндровой мощности были проанализированы данные выборки по 17 судовым высокооборотным дизелям, выпускаемым в период с 1998 по 2013 годы и составлен экстраполяционный прогноз на срок до 2018 года (см. рис. 3,5). Дополнительно приведены данные по нижней границе цилиндровой мощности для среднеоборотных судовых дизелей.
Заметим, что в перспективе 2018 года судовые высокооборотные дизеля с высокой степенью вероятности будут иметь цилиндровую мощность в диапазоне 80-200кВт/цилиндр, при этом 80% дизелей из рассматриваемой выборки будут иметь Рц=&0-\35 кВт/цилиндр. Наблюдается конкуренция по цилиндровой мощности некоторых дизелей, например, фирм MTU и Caterpillar с наименее форсированными среднеоборотными дизелями в мощностном диапазоне 150-200 кВт/цилиндр.
В диапазоне 125-150 кВт к прогнозируемому моменту времени с большой вероятностью не будут представлены конструкции лидеров мирового высокооборотного дизелестроения. На основе приведенных статистических результатов и прогнозных оценок выбираем значение Рц=\40 кВт/цилиндр.
Для выбора частоты вращения воспользуемся статистическими данными рис. 3.6, полученными на основе обработки данных по 121 модели высокооборотных дизелей. Установлено, что для рассматриваемого класса дизелей существует ряд типовых значений частоты вращения. При этом для «=1800 об/мин среднее эффективное давление изменяется с 11,5 до 23 бар; для «=2100 об/мин, рте имеет значения от 15 до 27 бар; для «=2300 об/мин Аие= 17-29 бар. Для рассматриваемого диапазона среднего эффективного давления от 18 до ЗОбар наиболее характерны два значения частоты вращения коленчатого вала: «=2100об/мин и п=2300об/мин. 15 20 25 ЗС
Оценку рабочего процесса дизеля для выбранных целевых показателей и рассматриваемых вариантов конструкции проведена при помощи математического моделирования. Как правило, на ранних этапах проектирования дизеля с используют упрощенные методы расчета рабочего цикла, что связано с отсутствием значительного количества исходных данных и желанием сократить трудоемкость моделирования. В проводимом исследовании использована расчетная программа DVS-2.1, в основе которой лежит термодинамический расчет по методу Гриневецкого - Мазинга [18]. Целью расчета является нахождение оптимальных значений давления сгорания и степени сжатия с учетом принятых конструктивных и эксплуатационных ограничений. При расчетах для каждого из вариантов принимались следующие допущения: - рассчитывался дизель с одним турбокомпрессором и охладителем воздуха, при этом температура наддувочного воздуха исходя из допустимости размеров охладителя наддувочного воздуха принималась равной ТШ,=325К; - локальный коэффициент избытка воздуха поддерживался на уровне, соответствующим Ттах \950К для всех расчетных вариантов путем изменения давления наддува; - эффективность организации рабочего процесса оценивалась при помощи коэффициентов использования теплоты в точке «z» 2=0,88 и в целом за цикл =0,92; - механический КПД дизеля принимался равным г/мех=90%;
Результаты расчета приведены в табл. 3.3-3.5 Учитывая принятые ограничения по степени повышения давления Я и температуре отработавших газов Tg, и руководствуясь мнение экспертов, выберем из каждой таблицы по одному набору параметров. Рассматриваемые варианты конструкции приведены в табл. 3.6. Таблица 3.3 - Изменение параметров рабочего цикла в зависимости от принятых ограничений для варианта 9 табл. 3. Параметр Рц=140кВт,
Методика расчетно-экспериментальной определение характеристики сгорания топлива в цилиндре опытного судового дизеля
Кроме того, сокращение периода продувки повышает теплонапряжонность поршня, что негативно повлияет на ресурс и надежность дизеля Основные результаты приведённых расчетных исследований обобщены на рис. 4.20. Дополнительно отметим, что оптимизация фаз газораспределения не приводит к существенному улучшению характеристик дизеля и требует значительных изменений в конструкции элементов. Изменение степени сжатия может быть достигнуто за счет незначительной модернизации технологии обработки поршня, сокращения глубины карманов под клапана и меньшему съему металла, изменение фоп достигается перенастройкой исходных команд в блоке управления дизелем, а увеличение глубины охлаждения наддувочного воздуха установкой второго охладителя наддувочного воздуха. Поэтому для
Полученная по результатам математического моделирования для этого варианта универсальная характеристика расхода топлива дизеля 12ЧН 18/20 с улучшениями, а также полученная ранее экспериментальная характеристика представлены на рис. 4.21.
Представленные расчетные исследования представляют собой прогнозную оценку основных эксплуатационных показателей дизеля.
В результате предложенной модернизации возможно получить улучшение топливной экономичности на номинальном режиме на 8...9 г/кВт ч, несколько улучшить топливную экономичность на эксплуатационных режимах. При этом значений выбросов окислов азота гарантированно удовлетворяют требования IMOtier 2.
При проведении дальнейших исследований следует обратить внимание на то, что смещение роп ближе к ВМТ приводит к увеличению дымности выхлопа. Установление значение дымности при роп = -15п.к.в. требует дополнительных экспериментальных исследований. Косвенно изменение величины дымности выхлопа можно оценить по коэффициенту избытка воздуха, который по результатам расчета несколько вырос, кроме того повышение плотности воздуха в камере сгорания способствует улучшению дисперсности капель топлива, увеличивается распушение факела при этом если поднять давление подачи топлива, можно ожидать дальнейшего снижения дымности выхлопа.
В целом полученные значения основных показателей дизеля после его модернизации и найденные настройки топливной аппаратуры могут быть улучшены в первую очередь за счет подбора диаметра, расположения и количества сопловых отверстий форсунки.
Дальнейшие исследования должны быть связаны с использованием возможностей с электронно-управляемой аккумуляторной топливной системы - внедрение многофазного впрыска,
Для целей дальнейшего улучшения показателей дизеля авторы диссертации могут рекомендовать уменьшение диаметра соплового отверстия йф с 0,27 до 0,25...0,23 мм, сокращение количества сопловых отверстий с 8 до 6...7 с одновременным использованием всего диапазона изменения давления впрыска от бОМПа до ІбОМПа, что позволит повысить управляемость процесса горения, также следует провести оптимизацию формы КС в поршне и выступания форсунки над днищем головки цилиндра Эффективность внедрения указанных мероприятий требует обязательных экспериментальных исследований. Согласно данным работы [85] каждому из режимов нагружения дизеля соответствует своя интенсивность подачи топлива в КС, т.е. свое давления подачи, при сохранении остальных показателей без изменения
Существенное улучшение эксплуатационных показателей СДУ можно достигнув при помощи оптимизации закона подачи топлива, в частности при помощи внедрения многофазного впрыска топлива [59]. При этом возможно достижения компромиссного решения, сочетающего как улучшение топливной экономичности дизеля, так и снижение вредных выбросов с ОГ.
Исходя из результатов анализа перспектив развития дизельных судовых энергетических установок при комплектации машинного отделения речного транспорта или судна прибрежной зоны эксплуатации в ближайшем будущем предпочтение будет отдавать высокофорсированным дизелям, особенностью эксплуатации которых является «узкое» поле допустимых режимов работы, что обуславливает определенные трудности при работе дизеля на переходных режимах, в частности при трогании судна с места, разгоне и экстренном реверсировании направления движения судна.
Вопросам изучения условий работы главного судового дизельного двигателя на переходных режимах посвящены работы [13, 43, 55, 82, 84].
Решение проектных задач по оптимизации условий эксплуатации двигателя на переходных режимах работы используют различные конструктивные решения: винт регулируемого шага, гидромуфта, гидротрансформатор и др. Конструкция винта регулируемого шага предусматривает наличие недостаточно надежного механизма поворота лопастей, кроме того из-за увеличенной в диаметре ступицы ВРШ имеет место сниженный КПД относительно ВФШ. Использование гидромуфты или гидротрансформатора значительно снижает пропульсивный коэффициент энергетической установки, что оправдано только для ограниченного перечня судов, например, для ледоколов.
Вместе с тем авторам работы известен метод согласования характеристик двигателя с характеристиками судна на переходных режимах с использованием управляемого включения соединительно-разобщительной фрикционной муфты (ФМ), установленной в составе судовой редукторной передачи.
