Удосконалення технічної експлуатації масляних систем суднових дизельних установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ

УДК 621.896

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНІЧНОЇ ЕКСПЛУАТАЦІЇ МАСЛЯНИХ СИСТЕМ СУДНОВИХ ДИЗЕЛЬНИХ УСТАНОВОК

Спеціальність 05.08.05 - Суднові енергетичні установки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ХОЛЧЄВ ЄВГЕНІЙ СЕРГІЙОВИЧ

Одеса 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській національній морській академії Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор Голіков Олександр Антонович, Одеська національна морська академія, завідувач кафедри технічної експлуатації флоту.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Ханмамедов Сергій Альбертович, Одеська національна морська академія, завідувач кафедри суднових енергетичних установок;

доктор технічних наук, професор Тимошевський Борис Георгійович, Національний університет кораблебудування ім. адм. Макарова, завідувач кафедри двигунів внутрішнього згоряння.

Провідна установа: Одеський національний морський університет Міністерства освіти і науки України, м. Одеса.

Захист відбудеться “21” квітня 2005 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.106.01 в Одеській національній морській академії за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідрихсона, 8, корп. 1, зал засідання вченої ради.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеської національної морської академії за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідрихсона, 8.

Автореферат розісланий “18” березня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор Голіков В.А.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Морський флот України здебільшого оснащено дизельними енергетичними установками. При технічній експлуатації суднових енергетичних установок (СЕУ) значна частина витрат припадає на мастильні матеріали.

Вибір якісних показників масел, а також підтримка їх в експлуатації у встановлених межах забезпечує необхідну надійність суднових технічних засобів (СТЗ) та їхню економічну ефективність.

Безвідмовна робота більшості СТЗ залежить від мастильних систем. Найбільш досконалими є циркуляційні масляні системи (ЦМС) суднових двигунів внутрішнього згоряння (СДВЗ), які не мають аналогів серед інших транспортних засобів. В таких системах одночасно знаходиться кілька десятків тон мінеральних масел різних сортів.

На придбання мастильних матеріалів витрачається до 3 - 5 % витрат на утримання судна.

В процесі технічної експлуатації масляних систем СДВЗ вода при конденсації і порушенні герметичності численних пристроїв і з'єднань попадає в масло. Навіть незначний вміст води в мастилі (0,01 0,2%) викликає деструкцію мастильних шарів підшипників кривошипно-шатунного механізму (КШМ) і порушує їхню роботу, аж до функціональних відмов.

У сучасних масляних системах відсутня можливість оперативного виявлення води в маслі. Обсяг і вартість ремонту СТЗ значною мірою залежить від ефективності роботи масляних систем. Необхідність забезпечення безвідмовної роботи масляних систем і підвищення їхньої експлуатаційної ефективності вимагає розв'язання важливої для масляних систем СЕУ наукової задачі, яка полягає в розробці методів безперервного контролю вологовмісту масла, що й визначає актуальність теми даної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Тема дисертаційної роботи зв'язана з виконанням держбюджетних науково-дослідних робіт, виконуваних Одеською національною морською академією “Розробка теоретичних основ технічної експлуатації флоту” (ГР № 0104U002960) та “Удосконалення технічної експлуатації суднових енергетичних установок транспортних суден” (ГР № 0102U007164). Автор дисертації був виконавцем і відповідальним виконавцем, а результати дисертації містяться в розділах звітів НДР.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення безпеки та економічної ефективності експлуатації СДВЗ за допомогою запобігання тривалій роботі на маслах з підвищеним вмістом вологи.

Головною задачею дослідження є розробка методу визначення концентрації води в маслі ЦМС СДВЗ і засобів її безперервного контролю.

Для вирішення головної задачі вирішувалися такі допоміжні задачі:

§ аналіз технічної досконалості й особливостей роботи ЦМС СДВЗ;

§ розробка методів дослідження тепломасообмінних процесів у системах мащення СДВЗ;

§ розробка фізичної та імітаційної моделей масляних систем СДВЗ;

§ визначення статичних і динамічних характеристик вологовмісту в системі “масло-вода-повітря”;

§ синтез системи контролю вологовмісту масла в ЦМС СДВЗ.

Об'єктом дослідження є процеси тепломасообміну в циркуляційних системах мащення СДВЗ. Предмет дослідження -- методи і засоби удосконалення технічної експлуатації масляних систем суднових дизельних установок. масляний циркуляційний судновий двигун

Методи дослідження. Розв'язання поставлених задач здійснено експериментальними і теоретичними методами: системний підхід при розробці методів дисертаційного дослідження; теорії подібності при створенні фізичних моделей мастильних систем; термодинаміки рівноважних процесів при визначенні вологості в газо-паро-рідинному середовищі; статистичної обробки експериментальних даних; математичного моделювання рівноважних процесів у системі “масло-вода-повітря”.

Достовірність і обґрунтованість отриманих результатів забезпечується:

§ проведенням прямого натурного експерименту і зіставлення з даними фізичного моделювання даної масляної системи;

§ коректним використанням математичного апарата при розв'язанні задач переносу в двофазному середовищі і числових способів розв'язання диференціальних рівнянь із сучасним програмним забезпеченням (методом Ньютона та ін.);

§ адекватністю в рамках прийнятих допущень фізичних і математичних моделей і реальних процесів, що створювалися у спеціально виготовленій установці і вивчалися за допомогою сучасних способів вимірювання вологовмісту;

§ задовільним якісним і кількісним збігом результатів розрахунків з результатами експериментів;

§ результатами випробування реальних масляних систем СДВЗ.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше здійснено удосконалення технічної експлуатації ЦМС суднових дизелів методом забезпечення оперативного контролю концентрації води в маслі.

2. Вперше в замкнутій термодинамічній системі “масло-вода-повітря”, що знаходиться в рівноважному стані при атмосферному тиску і концентрації води від 0 до 1 %, установлено:

а) лінійна залежність між вологовмістом повітря і рівноважною температурою;

б) експонентна залежність між вологовмістом повітря і концентрацією води в маслі.

3. Вперше в замкнутій термодинамічній системі “масло-вода-повітря”, що знаходиться в рівноважному стані при атмосферному тиску і концентрації води від 0 до 0,3 %, установлено лінійну залежність між вологовмістом повітря і концентрацією води в маслі.

4. Вперше встановлено, що в замкнутій термодинамічній системі при стрибкоподібній зміні вологовмісту масла від 0 до 1 %:

а) період установлення рівноважної вологості повітря становить близько 1000 с;

б) перехідний процес при цьому може бути описаний лінійним диференціальним рівнянням першого порядку з запізнюванням, стала часу якого не залежить від величини зміни концентрації води в маслі і становить близько 280 с.

Практичне значення отриманих результатів.

На основі результатів досліджень розроблена і впроваджена система безупинного контролю вологовмісту циркуляційних масел СДВЗ.

Розроблено і впроваджено систему аварійно-попереджувальної сигналізації (АПС) і захисту СДВЗ при попаданні води в масляну систему.

Розроблено і впроваджено в навчальний процес лабораторні роботи “Визначення динамічних характеристик парогазової суміші в півпросторах масляних систем”, “Визначення параметрів парогазового середовища в замкнутому півпросторі масляної системи” і “Визначення вологовмісту циркуляційного масла по вологовмісту парогазового середовища в замкнутому півпросторі”.

Особистий внесок здобувача в отриманих наукових результатах, наведених у дисертації, полягає в розробці фізичної моделі ЦМС; фізичної моделі вологопереносу між обводненим маслом і повітрям; створенні способу безупинного контролю вологовмісту масла; проведенні експериментальних досліджень і аналізі отриманих результатів; розробці системи АПС і захисту СДВЗ по обводненню масла, а також у впровадженні результатів роботи. Постановка задачі досліджень проведених в роботі належить науковому керівнику.

Апробація результатів дисертації. Основні результати доповідалися на щорічних конференціях професорсько-викладацького складу ОНМА (2001-2004); на щорічних науково-технічних семінарах, ОНМА (2001-2004).

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 5 робіт, з них 3 -- у виданнях, що входять до переліку ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація обсягом 159 сторінок машинописного тексту, у тому числі 29 рисунків, 15 таблиць, складається з уведення, п'яти розділів, основних висновків, списку використаних джерел зі 103 найменувань, додатків на 39 стор.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі дослідження, зазначені новизна і практична цінність результатів роботи, дається її коротка характеристика.

У першому розділі наводяться результати аналізу технічної експлуатації масляних систем СДВЗ. Для дослідження теплообмінних процесів були обрані масляні системи суднових двигунів внутрішнього згоряння, що мають потужність в діапазоні 50 25000 кВт. Незважаючи на такий великий діапазон потужності суднових двигунів, конфігурація й елементний склад масляних систем практично однаковий. Основними функціями, що виконують масляні системи, є: підтримка стабільної мінімальної сили тертя; реалізація процесу зношування з мінімальним зносом; охолодження вузлів тертя; винос продуктів зношування з зони тертя; очищення й охолодження мастильного матеріалу; антикорозійний захист вузла тертя; дозування подачі мастильного матеріалу в зону тертя; відведення масла з зони тертя; ущільнення ЦПГ.

Основну увагу було приділено реакції елементів СДВЗ на потрапляння води в масляну систему, тому що значне число параметричних і функціональних відмов двигунів викликано перевищенням концентрації води в мастилі.

Потрапляння води в масляну систему викликає необоротні процеси корозії елементів конструкції СДВЗ, що містять залізо. Вода також викликає нейтралізацію частини присадок, якими леговано масло.

Найбільш піддаються відмовам підшипники з тонкостінними вкладишами, шийки колінчатих валів і внутрішні поверхні втулок циліндрів.

Фірми-виготовлювачі СДВЗ рекомендують гранично припустимий вміст води в маслі для малообертових дизелів (МОД) -- 0,5%, а для середньообертових (СОД) -- 0,2%.

В даний час у масляних системах СДВЗ тільки один елемент здатний частково видалити воду з масла -- це сепаратор.

Масляні системи в існуючій конфігурації не мають ані систем аварійної попереджувальної сигналізації, ані систем захисту по наявності води в маслі.

Для функціонального відновлення СДВЗ при його пошкодженні витрачається час від кількох годин до декількох місяців. Вартість ремонту може досягати 30 % первісної вартості двигуна. У ряді випадків відмова двигуна загрожує безпеці мореплавання, і у випадку виникнення аварії супроводжується втратою вантажу, судна зі значними екологічними наслідками.

Таким чином, розв'язання задачі розробки способу визначення концентрації води в маслі ЦМС СДВЗ і засобів її безперервного контролю, дозволить удосконалити технічну експлуатацію масляних систем СДВЗ.

Отримані результати даного етапу досліджень послужили обґрунтуванням вибору напрямку досліджень, що було виділено в самостійну задачу в рамках науково-дослідних робіт академії.

У другому розділі обґрунтовуються методи виконання дисертаційної роботи і досліджень процесів тепломасообміну в масляних системах СДВЗ і їх порівняння з відомими результатами.

Для досліджень обраний системний аналіз. Головні й допоміжні задачі було ранжовано по чотирьох ієрархічних рівнях в залежності від значимості задач.

На кожному з рівнів для розв'язання задач вибиралися методи і технічні засоби, що дозволяють одержати найбільш ефективне рішення як по повноті опису об'єкта досліджень при фізичному моделюванні, так і з точки зору необхідної точності при математичному описі і зіставленні з результатами досліджень.

На вищому ієрархічному рівні було розглянуто СЕУ. На наступному ієрархічному рівні з усіх механічних систем цього рівня розглядаються СДВЗ. В результаті цих досліджень були узагальнені конструктивні особливості СДВЗ провідних фірм MAN і B&W, WARTSILA, PIELSTIC, ЗУЛЬЦЕР та ін. На наступному ієрархічному рівні розглянуто механічні системи СДВЗ. З усіх систем найбільшу увагу приділено ЦМС і було встановлено, що конфігурація схем масляних систем, їхнє функціональне призначення однакові. На наступному ієрархічному рівні було здійснено вивчення взаємодії елементів ЦМС.

Для оцінки доцільності створення системи контролю вологовмісту масла ЦМС СДВЗ, а також її техніко-економічної ефективності була сформульована цільова функція:

, (1)

де Ц - цільова функція, С₀ - будівельна вартість ЦМС СДВЗ; - період експлуатації ЦМС СДВЗ (1 рік); ДЭ = ДЭ_м + ДЭр + ДЭ_обс + ДЭ_ам - загальні річні витрати, де ДЭ_м - витрати на мастило протягом року; ДЭр - витрати на ремонт і відновлення вузлів, що обслуговуються масляною системою СДВЗ протягом року; Э_обс - витрати на обслуговування масляної системи протягом року; Э_ам - витрати на амортизацію; С₁ - витрати на модернізацію масляної системи й установку нових елементів.

На відміну від представлених раніше фізичних моделей, враховувалися процеси випаровування, дифузії й абсорбції води в замкнутому півпросторі масляних систем. Була висунута робоча гіпотеза про взаємозв'язок між вологовмістом парогазової суміші в замкнутому просторі циркуляційної масляної системи СДВЗ і вологовмістом масел.

Обґрунтовано методи дослідження з: загальної методики дослідження процесів тепломасообміну в ЦМС; визначення цільової функції; побудови фізичної моделі і розробки гіпотези; побудови математичної моделі ЦМС СДВЗ; теоретичних закономірностей процесів тепломасообміну в ЦМС СДВЗ; розв'язання рівнянь математичної моделі і перевірки адекватності; розробки (на підставі гіпотези) пристрою для створення термодинамічного рівноважного стану в системі “масло-вода-повітря” у замкнутих півпросторах ЦМС СДВЗ; оцінки необхідної точності вимірювання вологовмісту масла; обробки результатів вимірювань.

У третьому розділі виконано розробку фізичної моделі ЦМС СДВЗ.

За базову модель масляної системи було прийнято модель, запропоновану д.т.н., професором Ханмамедовим С.А. В його моделі виділено наступне: елементи системи мають послідовно-паралельне з'єднання із зосередженими параметрами. За основу взято рівняння: закон збереження енергії і закон збереження кількості речовини.

В дисертаційній роботі до базової моделі було додано процеси випарювання, дифузії й абсорбційних властивостей масел, що відбуваються в замкнутих півпросторах ЦМС дизелів. Обґрунтування розробки фізичної моделі вимагають визначення динамічних характеристик процесів взаємодії середовищ в елементарному обсязі простору:

- для дифузії: ; (2)

- для випаровування: (3)

де: D - коефіцієнт дифузії парів, м²·с^-1; dp, p_н, р_п - градієнт парціальних тисків, тиск насичення і парціальний тиск, Па; - коефіцієнт випаровування, с·м^-1.

- для турбулентної дифузії: , (4)

де k - коефіцієнт пропорційності, відн. од.; _с - густина середовища, кг·м^-3; n' - показник руху повітряного потоку; w_и (кг·м^-2·с^-1) - швидкість випаровування і u_с - швидкість середовища (повітря) (м·с^-1) у закритих півпросторах ЦМС вздовж вільної поверхні рідини.

В основу розрахунку фізичної моделі експериментальної установки покладені теореми теорії подоби. Для виконання умов подоби процесів потрібна була інваріантість визначальних критеріїв: Re, Gr, Pr і Ho.

Як оригінали обраний суднові малообертовий дизель MAN B&W 6S70MC-C і средньообертовий WARTSILA VASA 32 6R32D.

Для забезпечення інваріантості критеріїв в оригіналі і моделі модельні середовища обрані ідентичними оригіналам, а їхні робочі характеристики забезпечуються за допомогою технічних засобів, що входять до складу експериментальної установки. Схема експериментальної установки подана на рис. 1. Три послідовно з'єднані ємності 1, 4 і 5, дві з яких являють моделі картерного простору средньообертового і малообертового двигунів, а остання -- модель стічної цистерни, всі вони теплоізольовані.

Рис. 1 Принципова схема експериментальної установки ЦМС СДВЗ

Математичний опис процесів, що відбуваються в експериментальній моделі ЦМС СДВЗ представлено: процесами, що відбуваються у закритих півпросторах; процесами, що відбуваються у циркуляційному маслі; процесами, що відбуваються в елементах експериментальної ЦМС СДВЗ.

Наведено порівняльні характеристики фізичної моделі експериментальної ЦМС СДВЗ з базовою моделлю. Відзначено, що розроблена фізична модель та експериментальна установка ЦМС СДВЗ на її основі дозволила досліджувати процеси, що відбуваються в ЦМС і мастилах СДВЗ, які неможливо спостерігати на діючому дизелі.

В четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень процесів тепломасообміну в закритих півпросторах ЦМС СДВЗ.

При експериментальних дослідженнях були використані також лабораторні установки для визначення тиску насичених парів за ГОСТ 1756-52.

Дослідження проводилися відповідно до ГОСТ у теплотехнічній лабораторії ОНМА, сертифікованої державними центром стандартизації, метрології і сертифікації (Атестат акредитації № РО-765/2003).

Експериментальна установка (див. рис. 1), обладнана автоматизованим вимірювальним комплексом, що дозволяє вимірювати: вологовміст (відносну вологість) 0 - 100 %, температуру 0 - 250єС, тиск 0 - 0,5 МПа, рівень рідини 0 - 1000 мм, кратність циркуляції (продуктивність насоса) 0 - 2,5 м³/год.

На первісній стадії досліджень процесів тепломасообміну в замкнутих півпросторах масляної циркуляційної системи дизеля перевірялася гіпотеза про те, що між вмістом води в маслі і вологовмістом у парогазовому середовищі замкнутого півпростору повинна існувати функціональна залежність. В результаті дослідження було встановлено, що між тиском насичених парів водомасляного розчину P_s в замкнутому півпросторі і концентрацією води в маслі C в діапазоні 0 - 0,30 % існує такий взаємозв'язок:

, (5)

де P_sm -- тиск насичених парів водомасляного розчину;

k -- коефіцієнт пропорційності.

Були проведені роботи з удосконалення ЦМС СДВЗ за допомогою створення нових елементів масляних систем, що дозволяють здійснити безперервний контроль вологовмісту масла, аварійний захист і сигналізацію за граничною концентрацією води в маслі.

Таким чином, була практично реалізована концепція надання масляній системі нового елементного рішення у вигляді блоку безперервного контролю і сигналізації про наявність води в маслі в діапазоні концентрацій 0 0,5 % і блоку захисту, що виробляє сигнал для зупинки двигуна при вмісті води 0,2 % для СОД і 0,5 % для МОД.

В даній роботі отримано закономірності процесу дифузії водяних парів з циркуляційних масел СДВЗ. Для вивчення кінетики випаровування в статичних умовах і визначення коефіцієнта дифузії парів використано прилад за ГОСТ 1756-2000.

Швидкість зміни парціального тиску парів дорівнює:

, (6)

Коефіцієнт пропорційності K в цьому рівнянні залежить від природи рідини, що випаровується, а саме, від коефіцієнта дифузії її парів D, та від форми і розмірів судини, у якій відбувається випаровування:

K = AD, (7)

де А - стала приладу.

Інтегруючи рівняння (6), одержуємо:

. (8)

Як видно з табл. 1, експериментальні значення парціальних тисків парів, отриманих експериментально, добре збігаються з даними, розрахованими на підставі рівняння (8).

Таблиця 1

Парціальні тиски парів при випаровуванні в замкнутій судині, мм рт. ст. при температурі 30 єC

Час, хв.	Бензол	Толуол	н-Гептан	Вода
	Спост.	Обч.	Спост.	Обч.	Спост.	Обч.	Спост.	Обч.
5 10 15 25 50	44,5 62,0 74,0 91,2 108,0	45,0 61,6 74,2 90,9 107,8	13,7 19,3 22,9 27,8 33,8	13,8 18,8 22,7 28,0 33,8	22,3 31,0 36,3 45,1 55,4	22,6 30,7 37,0 45,1 55,4	41,5 59,6 71,2 88,3 106,0	42,0 60,1 70,5 88,9 106,4

З рівняння (8) випливає, що

, (9)

де p₁ і p₂ -- парціальні тиски парів, що відповідають моментам часу ?₁ і ?₂.

Рівняння (9) дозволяє визначити коефіцієнт дифузії пару D, якщо відома константа приладу А и значення тисків p₁, p₂ і p_s, одержувані з досліду. Таким чином, аналізуючи (8) можна одержати основні параметри випаровування: p_s -- тиск насичених парів і D -- коефіцієнт дифузії парів.

Переходячи в рівнянні (9) від тисків до концентрації водяних парів, одержимо:

. (10)

Визначення сталої А приладу здійснювалося при температурі 30 єС. При цій температурі коефіцієнт дифузії води в повітря D = 0,092 смІ·с^-1 Підставляючи це значення у формулу (9), одержуємо

. (11)

Значення ?₁, ?₂, c₁, c₂ бралися з дослідних даних.

Для оцінки точності розробленого пристрою і методу були проведені досліди по визначенню коефіцієнтів дифузії парів води при різних температурах. Отримані результати наведено в таблиці 2.

Результати перевірки удосконаленого методу і модифікації приладу дозволяють зробити висновок, що він дає можливість досліджувати кінетику випаровування води і визначати коефіцієнт дифузії водяних парів.

Таблиця 2

Порівняння коефіцієнтів дифузії парів води за даними різних авторів

Температура	Дані Ірисова	Дані Баранаєва	Дані, отримані за новою методикою	Для обводненого масла
30 40 50	0,092 0,120 0,129	0,090 0,118 0,130	0,091 0,119 0,131	0,00090 0,00121 0,00127

Експериментальні дослідження насичених парів бінарної суміші (масло + вода) проводилися з дотриманням методики (ГОСТ 1756-2000, СТ СЭВ 3654-82).

Як показали результати дослідження бінарної суміші масло-вода, зберігається справедливість залежності P_s від T у вигляді:

. (12)

Рис. 2. Залежність тиску насичених парів бінарної суміші масло М10Г2+0,15% H₂O від температури різних співвідношень обсягів масла і газу

На рис. 2 наведено результати вимірювання тиску насичених парів бінарної суміші масла М10Г2цс і води.

Залежності були визначені при різних співвідношеннях об'ємів масла і картерного простору в діапазоні 1:4 - 1:100.

Узагальнюючи результати визначення тиску насичених парів бінарних сумішей масло+вода, можна прийти до таких висновків: тиск насичених парів бінарних сумішей виходить трохи більшим, ніж це має бути за законом адитивності; зміна тиску насичених парів і температури підкоряється рівнянню:

. (13)

В результаті експериментальних досліджень по визначенню статичних характеристик процесів тепломасообміну на експериментальній установці (див. рис. 1.) ЦМС СДВЗ отримані такі залежності:

у картері СДВЗ (ємність 1, рис. 1):

§ Вологовміст масла від 0 до 0,3%:

d_в = (0,0091·T_m - 0,2623)·d_m^0,8892, (14)

§ Вологовміст масла від 0 до 1 %:

d_в = (5,627·10^-3·T_m - 0,1896)·(1 - exp[-4,0521·d_m]) (15)

в ємностях збереження масла і стічній цистерні (ємність 4):

§ Вологовміст масла від 0 до 0,3 %:

d_в = (0,004·T_m - 0,0046)·d_m^0,5608, (16)

§ Вологовміст масла від 0 до 1 %:

d_в = (0,382·10-3·T_m + 0,0031)·(1 - exp[-3,169·d_m]). (17)

Обробка результатів вимірювання статичних характеристик тепломасообміну здійснювалася методом найменших квадратів.

Експериментальні дослідження з визначення динамічних характеристик дали наступні результати, визначена передатна функція у вигляді:

, (18)

зміна відносної вологості визначається наступним диференціальним рівнянням:

, (19)

де K₀ -- коефіцієнт передачі, Т₀ -- стала часу і ₀ -- час запізнювання, t -- час, -- відносна зміна відносної вологості, де _max = 100 %; -- збурюючий вплив -- відносна зміна вологовмісту масла, де d_mmax = 1 %.

Таблиця 3

Коефіцієнти диференціальних рівнянь процесу обводнювання

Експеримент	Збурювання	K0	T0, с	0, с
150 мол	0,15	2,536	277,5	247
300 мол	0,30	2,018	270	245
450 мол	0,45	1,598	273	240
600 мол	0,60	1,314	268	235

Теоретичні та експериментальні дослідження дозволили одержати результати (табл. 3), з яких випливає, що період установлення рівноважної вологості повітря в замкнутій термодинамічній системі при стрибкоподібній зміні вологовмісту масла (рис. 3) становить близько 1000 с, а перехідний процес може бути описаний диференціальним рівнянням першого порядку з запізнюванням, стала часу якого не залежить від величини зміни концентрації води в маслі і становить близько 280 с.

Рис. 3 Експериментальні криві зміни відносної вологості парогазового середовища в ємності 1 (рис. 1) (моделі картера СДВЗ) при стрибкоподібному обводненні масла

Рис. 4 Принципова схема пристрою, який забезпечує рівноважний термодинамічний стан у системі “масло-вода-повітря” (УРТС_1)

В п'ятому розділі представлений розроблений нами метод безперервного контролю вологовмісту масла в ЦМС СДВЗ в процесі технічної експлуатації на базі пристрою, який забезпечує рівноважний термодинамічний стан в системі “масло-вода-повітря”.

Конструкція пристрою УРТС-1 (рис. 4) дозволяє створити рівноважний термодинамічний стан парогазового середовища з обводненим маслом в замкнутому просторі.

Принцип дії УРТС-1 такий: масло з циркуляційної системи СДВЗ надходить через патрубок 2 у засорочковий простір корпуса 6, звідки, омиваючи внутрішню частину корпуса, надходить на ежектор-розпилювач 7, за допомогою якого через трубочку 3 забезпечується ретельне перемішування парогазових середовищ, що знаходяться в камерах А і В. При цьому, забезпечується сталість температур між циркуляційним маслом і парогазовою сумішшю в камерах А і В, розпилювання масла в камері В, рециркуляція парогазової суміші між камерами А і В через негігроскопічний фільтр 4 і відбійники 5. За допомогою фланця 9 УРТС-1 кріпиться до зливального трубопроводу. Герметичність камер А і В забезпечується гідрозатвором 8. Отвір 1 призначено для датчика-вимірювача вологості повітря в камері А.

За допомогою визначення вологості парогазового середовища в камері А розраховуємо вологовміст масла за формулою:

d_m [0;1%]) - d_в =(₁·T_m + ₂)·(1 - exp[-₃·d_m]). (20)

Рис. 5 Блок-схема системи АПС і захисту масляної системи СДВЗ:
1 -- стічно-циркуляційна цистерна; 2 -- головний масляний насос; 3 -- датчик-вимірювач вологовмісту масла; 4 -- світлова сигналізація в ЦПУ; 5 -- двигун; 6 -- датчик наявності вологи в картері двигуна

Розробка пристрою УРТС-1 дозволила створити систему езперервного контролю вологовмісту масла в ЦМС СДВЗ, АПС і захисту за граничною концентрацією води в мастилі (рис. 5), що відповідає усім вимогам класифікаційних товариств, які висуваються до систем контролю, захисту і сигналізації СДВЗ.

Розроблена і створена система (див. рис. 5) була впроваджена як дослідний зразок на двох суднах з/с “Тилигульский” і т/х “Ольвия”. Результати наукових досліджень і створена експериментальна установка впроваджені у навчальний процес кафедри технічної експлуатації флоту ОНМА по дисципліні “Технологія використання палива води і мастил”.

На підставі сформульованої цільової функції (1) виконано розрахунок техніко-економічної ефективності результатів наукових досліджень, що базується на статистичних даних з досвіду експлуатації ЦМС СДВЗ, а також річних бюджетів суден і суднових місячних звітів. Для прикладу наведемо графік зміни цільової функції (1) на рис. 6 для т/х “Ольвия”.

Приймаємо, що амортизаційні витрати змінюються таким чином Э_ам = (С₀ + С₁)·/_экс, де _экс -- час експлуатації ЦМС СДВЗ протягом життєвого циклу судна (2025 років) і використовуючи залежність (1) одержуємо для реальної експлуатації без модернізації:

, (21)

З урахуванням модернізації ЦМС рівняння (1) приймає вигляд:

, (22)

Величини витрат після модернізації менше величин тих же витрат до модернізації за рахунок економії мастильного матеріалу на замінах через обводнювання, додаткового обслуговування ЦМС СДВЗ зв'язаного з забрудненням масла водою, а також витрат на поточний і аварійний ремонт ЦМС СДВЗ.

Для зручності побудови зміни витрат на масло, обслуговування і ремонт були прийняті лінійно залежними від часу експлуатації .

З прикладу (рис. 6) випливає, що ЦМС СДВЗ т/х “Ольвия” експлуатувалася з побудови судна відповідно до графіка цільової функції Ц₀ протягом 14 років, коли через підвищену концентрацію води в маслі ЦМС відбулося пошкодження вкладишів мотильового підшипника і шийки колінчатого вала, витрати на ремонт якого склали 35 000 доларів США, але в процесі ремонту не було можливості цілком видалити тріщини на мотильовій шийці. З цієї причини через 6 місяців відбулася поломка колінчатого вала. Витрати на ремонтні роботи по заміні колінчатого вала і постачання запасних частин склали 450 000 доларів США. Описані вище аварійні ситуації показані стрибками.

Рис. 6 Зміна значення цільової функції в реальному випадку (Ц₀)
і з урахуванням модернізації ЦМС СДВЗ (Ц₁)

Графік Ц₁ являє собою прогнозовану зміну значення цільової функції у випадку модернізації масляної системи. Цей графік проходить нижче Ц₀, тому що в результаті введення в ЦМС системи АПС і захисту по граничним вологовмістом масла запобігаються аварійні випадки, зв'язані з обводненням масла, знижуються витрати на мастильний матеріал, ремонтні роботи й обслуговування системи мащення СДВЗ. Суцільним графіком на рис. 6 представлена реальна зміна значення цільової функції до моменту модернізації і після впровадження системи АПС і захисту.

Висновки

1. У дисертаційній роботі представлене нове розв'язання задачі удосконалення технічної експлуатації масляних систем суднових дизельних установок за допомогою запобігання тривалої роботи СДВЗ на маслах з підвищеним вологовмістом.

2. На підставі результатів досліджень установлено, що значне число руйнувань деталей КШМ СДВЗ через обводнення циркуляційних масел ДВЗ відбувається протягом короткого проміжку часу. Установлено, що цьому сприяє відсутність засобів безперервного контролю, АПС і захисту СДВЗ по граничній концентрації води в маслах ЦМС СДВЗ.

3. Розроблено методику дослідження тепломасообмінних процесів у замкнутих півпросторах ЦМС СДВЗ, що дозволяє без використання складного математичного апарату визначати вологовміст мастила СДВЗ.

4. Розроблено фізичну та імітаційну модель масляної системи СДВЗ, яка адекватна процесам як у масляній системі, так і в картері СДВЗ.

5. На основі експериментальних досліджень установлено, що:

§ в замкнутій термодинамічній системі “масло-вода-повітря”, що знаходиться в рівноважному стані при атмосферному тиску і концентраціях води в маслі від 0 до 1,0 %, існує лінійна залежність між вологовмістом повітря і рівноважною температурою;

§ у замкнутій термодинамічній системі “масло-вода-повітря”, що знаходиться в рівноважному стані при атмосферному тиску і концентраціях води в маслі від 0 до 1,0 %, встановлено експонентну залежність між вологовмістом повітря і концентрацією води в маслі;

§ в аналогічних умовах при концентрації води в маслі від 0 до 0,3 % і постійній рівноважній температурі має місце лінійна залежність між вологовмістом повітря і концентрацією води в маслі;

§ встановлено, що період установлення рівноважної вологості повітря в замкнутій термодинамічній системі при стрибкоподібній зміні вологовмісту масла від 0 до 1 % становить близько 1000 с, і перехідний процес може бути описаний лінійним диференціальним рівнянням першого порядку з запізнюванням, стала часу якого не залежить від величини зміни концентрації води в маслі і становить близько 280 с.

6. На підставі результатів досліджень і розробок створені і впроваджені: експериментальна установка ЦМС СДВЗ; пристрій (УТРС-1), що забезпечує рівноважний термодинамічний стан в системі “масло-вода-повітря” у замкнутому півпросторі; датчик-вимірювач системи мащення СДВЗ, що дозволяє безперервно контролювати вміст води в маслі ЦМС; система АПС і захисту СДВЗ по граничній концентрації води в маслі ЦМС на т/х “Olvia” судноплавної компанії “K&O Shipping ltd.”, а також на з/с “Тилигульский” управління “Черазморпуть”; у навчальний процес кафедри ТЕФ ОНМА впроваджено три лабораторні роботи з дисципліни “Технологія використання палива, води і мастил”.

Публікації за темою дисертації

1. Голиков А.А., Холчев Е.С. Экспериментальная модель циркуляционной масляной системы судовой энергетической установки // Зб. наук. праць УДМТУ. Миколаїв, УДМТУ, 2003. № 4 (390). С. 44-52.

2. Голиков А.А., Холчев Е.С. Система обезвоживания смазочного масла шаг к снижению риска // Судоходство. 2001. № 8-9. С. 60-61.

3. Холчев Е.С., Голиков А.А. Исследование процесса влагопереноса между обводненным маслом и воздухом картерного пространства СДВС Судовые энергетические установки: науч.-техн. сб. 2003. № 8. Одесса: ОНМА. С. 90-95.

4. Холчев Е.С., Васильев А.Е. Исследование процесса диффузии водяных паров в замкнутом картерном пространстве // Судовые энергетические установки: науч.-техн. сб. 2003. № 9. Одесса: ОНМА. С. 134-138.

5. Холчев Е.С., Васильев А.Е. Исследование влияния влагосодержания циркуляционных масел ДВС на надежность основных узлов дизелей. // Мат. 55-ї наук. і наук.-метод. конф. проф.-виклад. складу і курсантів ОНМА. Одеса: ОНМА, 2003. С. 84-88.

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві. В [1] розроблена фізична модель ЦМС середньо- і малообертового дизелів; у [2] розроблена система АПС і захисту СДВЗ по обводненню мастила; у [3] розроблено фізичну модель тепломасообміну між обводненим маслом і повітрям у картері двигуна, визначено статичну залежність вологовмісту повітря від вологовмісту масла марки М10М2; у [4] аналіз процесу дифузії водяних парів з циркуляційних масел СДВЗ, розробка методу безперервного контролю вологовмісту масла СДВЗ; у [5] розроблено методику проведення експерименту.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анотація

Холчев Е.С. Удосконалення технічної експлуатації масляних систем суднових дизельних установок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.08.05 - суднові енергетичні установки. - Одеська національна морська академія, Одеса, 2005.

У дисертаційній роботі представлене нове рішення проблеми удосконалення технічної експлуатації масляних систем суднових дизельних установок шляхом підвищення безпеки й економічної ефективності за допомогою запобігання тривалій роботі СДВЗ на маслах з підвищеним вологовмістом.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі розроблено метод визначення концентрації води в маслі циркуляційних масляних систем (ЦМС) суднових двигунів внутрішнього згоряння (СДВЗ). Були вирішені такі допоміжні задачі: аналіз технічної досконалості й особливостей роботи ЦМС СДВЗ; розробка методів дослідження тепломасообмінних процесів у системах мащення СДВЗ; розробка фізичної та імітаційної моделей масляних систем СДВЗ; визначення статичних і динамічних характеристик вологовмісту в системі “масло-вода-повітря”; розробка системи контролю вологовмісту масла в ЦМС СДВЗ.

Ключові слова: суднові енергетичні установки, циркуляційна масляна система, концентрація води в циркуляційному маслі, процес тепломасообміну, система “масло-вода-повітря”, забруднення водою.

Аннотация

Холчев Е.С. Совершенствование технической эксплуатации масляных систем судовых дизельных установок. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.08.05 - судовые энергетические установки. - Одесская национальная морская академия, Одесса, 2005.

В диссертационной работе представлено новое решение проблемы совершенствования технической эксплуатации масляных систем судовых дизельных установок путем повышения безопасности и экономической эффективности посредством предотвращения длительной работы СДВС на маслах с повышенным влагосодержанием.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе разработан метод определения концентрации воды в масле циркуляционных масляных систем (ЦМС) судовых двигателей внутреннего сгорания (СДВС). Были решены следующие вспомогательные задачи: анализ технического совершенства и особенностей работы ЦМС СДВС; разработка методов исследования тепломассообменных процессов в системах смазки СДВС; разработка физической и имитационной моделей масляных систем СДВС; определение статических и динамических характеристик влагосодержания в системе “масло-вода-воздух”; разработка системы контроля влагосодержания масла в ЦМС СДВС.

Была построена экспериментальная установка, представляющая собой ЦМС СДВС. Эта установка реализует объект исследования - процесс тепломассообмена в масляной системе дизеля.

На основе экспериментальных исследований было установлено, что:

- в замкнутой термодинамической системе “масло-вода-воздух”, находящейся в равновесном состоянии при атмосферном давлении и концентрациях воды в масле от 0 до 1,0 %, определена линейная зависимость между влагосодержанием воздуха и равновесной температурой;

- в замкнутой термодинамической системе “масло-вода-воздух”, находящейся в равновесном состоянии при атмосферном давлении и концентрациях воды в масле от 0 до 1,0 %, определена экспоненциальная зависимость между влагосодержанием воздуха и концентрацией воды в масле;

- в аналогичных условиях при концентрации воды в масле от 0 до 0,3 % и постоянной равновесной температуре имеет место линейная зависимость между влагосодержанием воздуха и концентрацией воды в масле;

- период установления равновесной влажности воздуха в замкнутой термодинамической системе при скачкообразном изменении влагосодержания масла от 0 до 1 % составляет около 1000 с и переходный процесс может быть описан линейным дифференциальным уравнением первого порядка с запаздыванием, постоянная времени которого не зависит от величины изменения концентрации воды в масле и составляет около 280 с.

В результате проведенных исследований разработана и внедрена система контроля концентрации воды в циркуляционных маслах судовых дизелей. Разработана система аварийно-предупредительной сигнализации (АПС) и защиты, которая позволяет оперативно определять и предупреждать загрязнения масляной системы водой. Разработаны и внедрены в учебный процесс лабораторные работы “Определение динамических характеристик парогазовой смеси в полупространствах масляных систем”, “Определение параметров парогазовой среды в замкнутом полупространстве масляной системы” и “Определение влагосодержания циркуляционного масла по влагосодержанию парогазовой среды в замкнутом полупространстве”.

Ключевые слова: судовые энергетические установки, циркуляционная масляная система, концентрация воды в циркуляционном масле, процесс тепломассообмена, система “масло-вода-воздух”, загрязнение водой.

Abstract

Kholchev Y.S. The improvement of technical exploitation of the ship's diesel plant lubricating oil systems. - Manuscript.

Thesis for the scientific degree of candidate of technical science in speciality 05.08.05 - marine power plants. - Odessa National Maritime Academy, Odessa, 2005.

The thesis is devoted to the solution of the problem of the improvement of the technical exploitation of the ship's diesel plant lubricating oil systems by means of increasing safety and economical efficiency by prevention of the prolonged diesel engine operation on lubricating oils with high water content.

For the achievement of the aim of the study there was developed method for determination of water concentration in the oil of the lubricating oil circulation systems (LOCS) of the ship's diesel engines (SDE). There were found solutions for the following auxiliary tasks: analysis of the technical excellence and operational characteristics of SDE LOCS; development of the method for the studying of the heat-massexchange processes in the SDE LOCS; development of the physical and imitational models of SDE lubricating oil systems; finding the static and dynamic characteristics of the moisture content in the system “oil-water-air”; development of the continuous water in oil monitoring system in SDE LOCS.

Key words: marine power plants, lubricating oil circulation system, water content in the lubricating oil, process of the heat massexchange, water-in-oil monitoring, contamination with water, system “water-oil-air”.

Размещено на Allbest.ru