CC BY
0УДК 534.1
Ю.А. Лапин, М.В. Грибиниченко
Дальневосточный федеральный университет, Владивосток, 690922 e-mail: [email protected]
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗВИТИЯ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ
В ПРОПУЛЬСИВНОМ КОМПЛЕКСЕ С МОД ПРИ МЕДЛЕННОМ И БЫСТРОМ ПРОХОДЕ РЕЗОНАНСНОЙ ЗОНЫ
В работе описано экспериментальное исследование крутильных колебаний в пропульсивном комплексе с малооборотным дизельным двигателем на переходных и стационарных рабочих режимах. Исследование проводилось во время натурных испытаний пропульсивного комплекса контейнеровозного судна «Транзит Тавайза». Приведены зависимости амплитуд напряжений крутильных колебаний в промежуточном валу пропульсивного комплекса от частоты вращения двигателя при быстром разгоне двигателя, при быстром торможении и плавном проходе. Описан исследуемый пропульсивный комплекс, приведена его крутильная схема и относительные амплитуды валопроводной формы крутильных колебаний. Описана используемая измерительная система.
Ключевые слова: крутильные колебания, торсиографирование, пропульсивный комплекс, малооборотный дизель.
Yu.A. Lapin, M.V. Gribinichenko
Far Eastern Federal University, Vladivostok, 690922 e-mail: [email protected]
EXPERIMENTAL STUDY ON TORSIONAL VIBRATIONAL IN PROPULSION PLANT WITH LOW SPEED DIESEL ENGINE DURING SLOW AND FAST PASSING THROUGH RESONANT ROTATING SPEED
The experimental torsional vibrations study in a propulsion plant with a low-speed diesel engine in transient and stationary operating modes is described. The study was conducted during sea trials of the container ship "Transit Tawaiza" propulsion plant. Torsional vibration stress amplitudes dependences in the intermediate shaft of the propulsive complex on the engine speed during rapid acceleration of the engine, during rapid braking and smooth passage are given. The investigated propulsive complex is described, its mass-elastic system and torsional vibration shaft conducted shape relative amplitudes are given. The measuring system used is described.
Key words: torsional vibrations, torsional vibration measurement, propulsion plant, low-speed diesel engine.
Малооборотные дизели используются в качестве главных на многих крупных морских транспортных судах. Обширное применение этих двигателей обусловлено их высокой экономичностью, надежностью, высоким моторесурсом. Малооборотный дизельный двигатель (МОД), имея худшие показатели удельной мощности (кВт/кг), чем средне - и высокооборотные дизельные двигатели (ВОД и СОД), позволяет осуществлять прямую передачу мощности на винт. В результате этого упрощается конструкция главного пропульсивного комплекса, упрощается его техническое обслуживание.
Одним из недостатков пропульсивных комплексов с МОД является присутствие в установке опасных резонансных крутильных колебаний I формы. I форма крутильных колебаний является валопроводной - то есть узел находится на промежуточном, упорном или гребном валу. Характерная особенность этой формы крутильных колебаний в том, что ее частота находится в пределах 4-6 Гц (исходя из опыта работы авторов). В результате этого в рабочем диапазоне малооборотных дизелей имеются резонансы главных моторных порядков с этой формой колебаний.
Под главным моторным порядком понимается порядок вынужденных колебаний, кратный числу цилиндров для двухтактных двигателей и равный числу вдвое меньшему, чем число цилиндров для четырехтактных двигателей. Резонанс главного порядка малооборотного дизеля с валопро-водной формой часто приводит к появлению опасных напряжений, превышающих допускаемые для длительной работы и назначению запретных зон частот вращения.
Ввиду низкой частоты свободных колебаний применение силиконовых демпферов часто неэффективно для гашения крутильных колебаний валопроводной формы установок с МОД и прямой передачей. Размеры демпфера получаются чрезмерно большими. Проектировщики таких пропульсивных комплексов чаще стараются сместить эту форму в зону между минимальной устойчивой частотой вращения двигателя и частотой вращения, соответствующей малому ходу. Это достигается путем применения пружинных демпферов или тяжелых маховиков, устанавливаемых на свободный фланец коленчатого вала. В результате этого в рейсе двигатель быстро проходит запретную зону, после чего эксплуатируется за ее пределами. Во время маневров и реверсов двигатель проходит через запретную зону многократно во время разгонов и торможений. Российскими исследователями подтверждено, что работа судовых двигателей на нестационарных режимах и их динамика на этих режимах требует специального рассмотрения. [1-5]. Исследование развития крутильных колебаний в пропульсивных комплексах малооборотных судов на различных режимах работы является актуальной задачей.
Целью данной работы является экспериментальное исследование развития крутильных колебаний, возникающих в пропульсивном комплексе судна с МОД, при медленном прохождении резонансных зон по правилам процедуры торсиографирования и при быстром проходе резонансных зон во время маневров.
Исследуемый пропульсивный комплекс
Экспериментальное исследование проводилось на контейнеровозном судне «Транзит Тавай-за». Общий вид пропульсивного комплекса судна приведен на рис. 1.
Рис. 1. Общий вид исследуемого пропульсивного комплекса: 1 - главный двигатель; 2 - промежуточный вал; 3 - гребной вал
Главный двигатель - фирмы MAN Energy Solution 6S60-ME-C10.5, имеет номинальную мощность 11 500 кВт при 105 об/мин. В систему управления двигателем установлена заводская оптимизация для работы на малых нагрузках. За счет электронного управления степень сжатия на малых нагрузках достигает 20, уменьшаясь до 15,5 при номинальной нагрузке.
Расчетная крутильная схема данного пропульсивного комплекса состоит из 14 масс и приведена на рис. 2.
Валопроводная форма крутильных колебаний имеет собственную частоту 4,36 Гц. Относительные амплитуды этой формы колебаний приведены на рис. 3.
Рис. 2. Крутильная схема исследуемого пропульсивного комплекса: 1 - маховый диск для снижения частоты крутильных колебаний; 2 - фланец; 3 - компенсатор момента; 4 - кривошип № 1; 5 - кривошип № 2; 6 - кривошип № 3; 7 - кривошип № 4; 8 - кривошип №5; 9 - кривошип № 6; 10 - упорный подшипник + цепной привод вспомогательных механизмов; 11 - компенсатор момента; 12 - маховик; 13 - фланец; 14 - гребной винт
Масса
Рис. 3. Относительные амплитуды масс валопроводной формы крутильных колебаний (4,36 Гц) Измерительное оборудование
Для измерения крутильных колебаний использовалась система измерения российской фирмы 2БТЬЛБ на базе трехосевых акселерометров. Крутильные колебания определяются тангенциальной осью измерений акселерометра. При равномерном вращении вала, при отсутствии крутильных колебаний, временной сигнал с акселерометра будет представлять собой синусоиду, имеющую амплитуду 9,81 м/с2 и период, равный периоду одного оборота вала. При возникновении крутильных колебаний на оборотной синусоиде появится обертон с частотой крутильных колебаний. Метод измерения крутильных колебаний при помощи акселерометров приведен в различных работах [6-9]. Расположение системы на валопроводе показано на рис. 4 и на рис. 2.
Рис. 4. Расположение измерительной системы на валопроводе
Ход испытаний
Запись системы начата с момента установки прибора на промежуточный вал. Был записан весь период торсиографирования - плавный разгон и плавное торможение двигателя, а также все пуски, остановки, реверсы главного двигателя в период движения судна к месту испытаний и движения к месту стоянки после испытаний.
Анализ полученных результатов
В результате анализа полученных записей были построены зависимости амплитуд и напряжений крутильных колебаний, возникающих в валопроводе при плавном проходе резонансной зоны, а также при быстром разгоне и быстром торможении (рис. 5).
Развитие напряжений в промежуточном валу
105 об/мин
"1 1 1 1
16 1 1 1
[ ¡^ |Л 1 выстрыи разгон _ Плавный проход 1 1 1
1 V« '1 \ т -Ц _ ^ - d I1 ' К ■ч Доп. 1 1 для быстрого прохода
Медленный выбег! двигателя после | прекращения | i.....I...... ; V 1 V 1 1
подачи топлива I 12 —А----/-------------1 ' V if X • / % 11 \ if д / Быстрое торможение Доп. 1 для д|штельной работы 85% от доп
i \ i \ ! j / '"ч- \ ■ \ ' ' ■' ..........1.......... 1 1
\ k Т- \ 1 1 1
70 Об/мин
Рис. 5. Зависимости измеренных амплитуд и напряжений, возникающих от крутильных колебаний
в исследуемом пропульсивном комплексе
Полученные результаты позволяют сделать выводы о том, что при быстром разгоне малооборотного двигателя крутильные колебания успевают полностью развиться. Амплитуды в этом
случае большие, чем при плавном проходе резонансной зоны. Предположительно это связано с тем, что при быстром разгоне двигатель на той же частоте вращения передает больший крутящий момент, чем при плавном проходе. Малая амплитуда крутильных колебаний при быстром торможении, вероятнее всего, объясняется тем, что при быстром торможении двигатель на той же частоте вращения передает меньший крутящий момент.
На основе полученных результатов можно сделать следующее заключение.
- крутильные колебания в пропульсивном комплексе с МОД развиваются в течение 5-6 циклов, что по времени составляет менее одного оборота вала;
- при быстром проходе резонансной зоны во время разгона в пропульсивных комплексах с МОД развиваются напряжения не меньшие (в некоторых случаях большие), чем при плавном проходе;
- при быстром проходе резонансной зоны во время торможения крутильные колебания практически не проявляются;
- расчет величины напряжений от крутильных колебаний во время быстрого разгона в пропульсивных комплексах с МОД на этапе проектирования является актуальной задачей для обеспечения их надежности и безаварийной длительной эксплуатации.
Дальнейшие исследования будут направлены на расчетное определение величины крутильных колебаний в пропульсивных комплексах с МОД на нестационарных режимах работы двигателя.
Литература
1. Покусаев М.Н., Хоменко Т.В., Горбачев М.М. Применение систем мониторинга крутильных колебаний для повышения надежности судовых машинно-движительных комплексов / // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства. - 2023. - № 72-73. -С. 78-86. - EDN YHFRMM.
2. Исследование крутильных колебаний машиннодвижительного комплекса разъездного речного судна «РК-2091» проекта 376 / М.Н. Покусаев, В.А. Мамонтов, А.Р. Рубан и др. // Морские интеллектуальные технологии. - 2019. - № 1-4(43). - С. 88-92. - EDN XCKQLH.
3. Ефремов Л.В. Теория и практика исследований крутильных колебаний силовых установок с применением компьютерных технологий. - СПб.: Санкт-Петербургская издательско-книготорговая фирма «Наука», 2007. - 276 с. - ISBN 5-02-025134-8. - EDN UBASSH.
4. Румб В.К., Паюсов В.И., Чихачев Е.В. Переходные процессы в судовой пропульсивной установке с ДВС // Двигателестроение. - 2011. - № 4(246). - С. 26-30. - EDN ONSZHH.
5. Румб В.К., Хтоо Н.А. Учет нестационарности нагружения при прогнозировании усталостной долговечности судовых валопроводов // Морской вестник. - 2024. - № 2(90). - С. 72-74. -DOI 10.56192/1812-3694_90_72. - EDN WLZFQC.
6. Сравнительная оценка применения микроэлектромеханических акселерометров для измерения крутильных колебаний судовых машинно-движительных комплексов / М.М. Горбачев, А.В. Дьяченко, Д.Г. Конищев, А.Г. Кокуев // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. - 2024. - № 1. - С. 95-103. - DOI 10.24143/2073-1574-2024-1-95-103. - EDN MEPTMY.
7. Горбачев М.М., Колыванов В.В. Выбор методов постоянного мониторинга крутильных колебаний в судовых машинно-движительных комплексах // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. - 2023. - № 2. -С. 54-65. - DOI 10.24143/2073-1574-2023-2-54-65. - EDN JYRACU.
8. Метод измерения крутильных колебаний судовых валопроводов при помощи трехосево-го акселерометра / Ю.А. Лапин, М.В. Грибиниченко, О.С. Портнова, П.А. Андрюхина // Вестник Инженерной школы Дальневосточного федерального университета. - 2023. - № 3(56). - С. 35-45. - DOI 10.24866/2227-6858/2023-3/35-45. - EDN SIVWMC.
9. Лапин Ю.А., Грибиниченко М.В. Оценка величины крутильных колебаний в пропульсивном комплексе краболовных судов проекта Damen CCa 5712LS // Вестник Морского государственного университета. - 2024. - № 95. - С. 9-17. - EDN APLNJH.
