CC BY
44
УДК 621.431.74
ИССЛЕДОВАНИЕ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ СУДОВОГО СРЕДНЕОБОРОТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
© 2012 г. Н.И. Николаев, В.В. Герасиди
Морская государственная академия Admiral Ushakov
имени адмирала Ф.Ф.Ушакова Maritime State Academy
Рассмотрен состав уходящих газов судового среднеоборотного двигателя, работающего на тяжелом топливе. Полученные результаты определения количественного и качественного состава твердых частиц в отработавших газах среднеоборотных двигателей позволили сделать выводы, что размер и количество твердых частиц зависят от нагрузки двигателя. Выявлено, что за одну минуту работы ди-зель-геератора, работающего на тяжелом топливе, в выхлопной коллектор попадает около 1 г твердых (абразивных) частиц (Al2O3, SMs) твердостью около 600 НВ по Бринеллю, которые изнашивают проточную часть радиально-осевой турбины турбокомпрессора.
Ключевые слова: износ, отработавшие газы; эксперимент; твердые частицы; турбокомпрессор.
In the article the formation of the exhaust gases structure of the marine medium engines operating on heavy fuel. The results of experimental studies determination quantitative and qualitative structure solid value in the exhaust gases of the marine medium engines have allowed drawing conclusions that the size and quantity of solid value depended on engine load. In article have revealed, that for one minute of working diesel engine operating on heavy fuel in the exhaust collector gets about one gram solid (abrasive) value hardness about 600HB for Brunel which wear out the gas party of radially-axial (centripetal) turbines turbochargers.
Keywords: wear; exhaust gases; solid value; turbocharger.
В качестве судовых дизель-генераторов (ДГ) применяются среднеоборотные двигатели (СОД) производства компаний: «Yanmar», «MAN Diesel&Turbo», «Wartsila» и др. [1]. Анализ условий их эксплуатации показывает, что СОД в основном работают на тяжелых сортах топлива, что оказывает негативное влияние на работу дизеля, в частности его турбокомпрессора типа ТКР с радиально-осевой (центростремительной) турбиной [2].
При эксплуатации дизеля на тяжелом топливе в продуктах сгорания образуются твердые и жидкие взвешенные частицы. Они имеют различные размеры и форму, скорости движения и физические свойства. Присутствие твердых (абразивных) частиц в движущемся потоке отработавших газов (ОГ) (трехкомпо-нентной рабочей среде, состоящей из газов, твердых и жидких дисперсных частиц) дизеля при соприкосновении с поверхностью проточной части турбины ТКР вызывает её характерный износ [3, 4].
Для более детального изучения механизма износа данной проточной части целесообразно определить качественный и количественный состав твердых частиц, движущихся в потоке ОГ. Для этого проведено экспериментальное исследование на судовом СОД фирмы Yanmar 6EY18AL (наработка 2500 ч с начала эксплуатации, судно построено в 2010 г.); ТКР фирмы Mitsubishi MET 18RSR; топливо - ISO-F-RMG 380; моторное масло - ENERGOLIC-HFX 304.
В табл. 1, 2 представлены некоторые основные свойства указанных топлива и масла, существенно влияющие на износ упомянутой проточной части, требования, предъявляемые к использованному топливу стандартом ISO-F-RMG 380, реально подтвержденные пределы изменения его показателей качества при эксплуатации двигателя в интервале 287-2300 моточасов.
Использованное масло, рекомендуемое для указанного дизеля фирмой-изготовителем, обладает хорошей совместимостью с тяжелым топливом и обеспечивает высокую чистоту двигателя, особенно в области картера и газораспределительного вала. Оно обладает повышенной стойкостью к высокотемпературному окислению и термической стабильностью, низкой летучестью, высокой несущей способностью и хорошими антикоррозионными свойствами. На основании результатов лабораторного анализа масла в процессе эксплуатации двигателя в указанном интервале наработки моточасов не наблюдается больших изменений. По результатам анализа оно может быть использовано при дальнейшей эксплуатации.
Для улавливания и определения параметров твердых частиц в ОГ двигателя, работавшего на указанных выше топливе и масле, был изготовлен специальный зонд (рис. 1), который устанавливался вместо термопары для замера температуры газов в выхлопном коллекторе.
Таблица 1
Основные физико-химические свойства тяжелого топлива
Параметры, размерность Требования ISO-F-RMG 380 Реальные пределы измерения показателей качества топлива в эксплуатации
Вязкость, мм2/с: при 50 °С, при 100 °С, мм2/с 380 310 - 390
- 31 - 37
Плотность, кг/л, не более 0,99 0,96 - 0,99
Содержание воды, %, не более 0,5 0,05 - 0,80
Содержание золы при 550 °С, %, не более 0,15 0,04 - 0,05
Минимальный остаток углеводородов, %, не более 18 9 - 17
Зольность, %, не более 0,1 0,02 - 0,03
Температура застывания, °С, не выше 30 3 - 10
Температура вспышки, °С, не ниже 60 76 - 80
Содержание серы, %, не более 4,5 0,1 - 3,0
Ванадий, мг/кг, не более 350 97 - 149
Фосфор, мг/кг, не более 15 0,5 - 1,0
Кальций, мг/кг, не более 30 2 - 12
Цинк, мг/кг, не более 15 1 - 2
Алюмосиликаты, мг/кг, не более 60 8 - 43
Таблица 2
Основные физико-химические свойства моторного масла
Параметры, размерность Показатель качества ENERGOLIC-HFX 304 Наработка, ч
287 2300
Вязкость, мм2/с, при 100 °С 14±2,5 14,3 15,18
Температура вспышки, °С, не менее 170 195 195
Содержание воды, %, не более 1 0,08 0,09
Нерастворимые примеси от общей массы, %, не более 1 0,22 0,34
Щелочное число, мг КОН/г, не менее 8 27 25
Алюминий, ррт - 4 3
Железо, ррт - 12 9
Свинец, ррт - 3 1
Никель, ррт - 2 8
Кремний, ррт - 8 6
Натрий, ррт - 13 33
Ванадий, ррт - 8 29
Зонд включает в себя стакан 1 с длинной направляющей частью, имеющей специальный вырез для сбора золы летящей с ОГ ДГ. В стакан вкручивается переходник 2. Клапан 3 служит для подачи исследуемой среды в трубку 4, на конце которой установлен контейнер 5 для сбора твердых частиц.
Исследования количественного и качественного состава твердых частиц в ОГ выполнялись на установившихся режимах эксплуатации ДГ (с нагрузкой от 25 до 90 % от номинального её значения, частота вращения коленчатого вала ДГ п = 900 мин-1). На рис. 2 приведены некоторые эксплуатационные параметры, характеризующие работу двигателя с ТКР: температура ОГ tот = 280 - 380 оС; давление наддува рн = 0,3 - 2,7 бар; удельный эффективный расход топлива ge= 200 - 250 г/(кВт-ч).
На рис. 3 и в табл. 3 показаны результаты улавливания дисперсных частиц в ОГ с помощью указанного зонда и определения их параметров. Эти результаты получены за одну минуту работы ДГ на установив-
шихся режимах эксплуатации при 25, 50, 75 и 90 % от номинальной нагрузки. _
При нагрузке, близкой к номинальной Ne = 90 %, количество твердых частиц - минимальное. Это обусловлено тем, что на данной нагрузке улучшается процесс сгорания топлива, в частности из-за повышения эффективности продувки цилиндров [5]. При относительно малой нагрузке Ne = 25 % количество твердых частиц максимальное и их размер достигает 2 мм.
В табл. 3 показаны результаты опытов, которые выполнены на судовом СОД, работающем на топливе с различной вязкостью 310 - 387 мм2/с, на различных нагрузках 25 - 90 % от номинальной. Общая масса твердых частиц, полученная экспериментально, определялась путем взвешивания контейнера зонда до и после испытания при помощи точных весов «Micro Digital Computing Scale»: модель «MW-150T», серийный номер S/N 301 17220 (погрешность измерения 0,005 г).
3,0
а
ш
^
ч
3
и ff
И
Н £ 1,5
4
ш
270
Я га
ä &
& "¡5 « ,
220
Ч
170
10
30
50
70 _ 90 Нагрузка Ne, %
Рис. 1. Зонд: 1 - стакан; 2 - переходник; 5 - клапан; 4 - трубка; 5 - контейнер
Рис. 2. Зависимость удельного эффективного расхода топлива, давления наддува и температуры отработавших газов от нагрузки ДГ 6EY18AL (Уаптаг) при п = 900 мин-1
5
4
Таблица 3
Результаты определения параметров твердых частиц в отработавших газах ДГ 6EY18AL (Уаптаг)
№ опыта Вязкость топлива при 50 °С, мм2/с Нагрузка ДГ, % Количество золы, г Осредненный диаметр твердых частиц, мм
1 25 1 2
2 310 50 0,5 1
3 75 0,45 0,5
4 90 0,4 0,25
5 25 1 2
6 340 50 0,5 1
7 75 0,45 0,5
8 90 0,4 0,25
9 25 1 2
10 354 50 0,5 1
11 75 0,45 0,5
12 90 0,4 0,25
13 25 1 2
14 387 50 0,5 1
15 75 0,45 0,5
16 90 0,4 0,25
17 25 1 2
18 350 50 0,5 1
19 75 0,45 0,5
20 90 0,4 0,25
i ■<"
I
10 30 50 70 90 100
Относительная нагрузка № , %
Рис. 3. Сравнительная характеристика размеров и количества абразивных частиц в отработавших газах за одну минуту работы ДГ на различных нагрузках
Осредненный диаметр (осредненный наибольший линейный размер) этих частиц, имеющих форму, близкую к шару с острыми краями, установлен с помощью измерения микрометром. Погрешность определения осредненного диаметра 0,25 мм.
Твердые частицы в ОГ исследованы на твердость при помощи ультразвукового универсального твердомера 54-459М, предназначенного для измерения твёрдости углеродистых сталей в лабораторных и цеховых условиях. Исследования показали, что твердые частицы, входящие в состав ОГ СОД, имеют высокую твердость, которая превысила диапазон измерения прибора и составила более 470 НВ. Это, вероятно, обусловлено тем, что использованное топливо обрабатывалось алюминосиликатами, которые в процессе горения окислись и в результате ОГ двигателя содержали твердые оксиды, сульфаты, сульфиды различных химических элементов Т^ А1, Fe и др.) [6].
Полученные результаты исследования по определению свойств абразивных частиц в ОГ типичного СОД позволяют сделать выводы:
Поступила в редакцию
- параметры твердых частиц, входящих в состав ОГ подобных двигателей сильно зависят от его нагрузки и могут достигать по размерам 2 мм при малых её величинах. Эти параметры практически не зависят от вязкости топлива в диапазоне 310 - 387 мм2/с;
- за одну минуту работы ДГ, работающего на тяжелом топливе, в выхлопной коллектор попадает до 1 г абразивных частиц твердостью более 470 НВ, которые вызывают существенный износ проточной части турбины ТКР.
Литература
1. Жук А.Н., Герасиди В.В. Влияние использования тяжелого топлива в судовых двигателях на износ соплового аппарата газотурбонагнетателя. [Электронный ресурс] / ФГОУВПО «МГТУ». Электрон. текст. дан. (30 Мб) Мурманск, 2011. 3 с.
2. Ципленкин Г.Е., Дейч Р.С. Обзор докладов по турбокомпрессорам // Двигателестроение. 2001. № 4. С. 55 - 59.
3. Николаев Н.И., Савченко В.А. Современное состояние и техническая эксплуатация турбонаддувочных агрегатов : монография. СПб., 2005. 114 с.
4. Born H., Meier M., Roduner C. TPS - F; a new series of small turbochargers for highest pressure ratios. Paper № 34. CIMAC 2004. Kyoto.
5. Николаев Н.И., Шмелёв С.Х., Марков С.В. Характерные неисправности и отказы турбонагнетателей с радиальной турбиной судовых дизель-генераторов // Морской транспорт. Техническая эксплуатация флота и судоремонт: ЭИ. М., 2002. Вып. 4 (916), С. 1 - 6.
6. Бойко Е.В. Химия нефти и топлив: учеб. пособие. Ульяновск, 2007. 60 с.
23 апреля 2012 г.
Николаев Николай Иванович - канд. техн. наук, профессор, кафедра «Судовые тепловые двигатели», Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф.Ушакова. Тел. 8(8617)680-189
Герасиди Виктор Васильевич - аспирант, кафедра «Судовые тепловые двигатели», Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф.Ушакова. Тел. 8(8617)680-189. E-mail: [email protected]
Nikolaev Nikolay Ivanovich - Candidate of Technical Sciences, professor, department «Ship's Heat Engine», Admiral Ushakov Maritime State Academy. Ph. 8(8617)680-189.
Gerasidi Viktor Vasilievich - post graduate student, department «Ship's Heat Engine», Admiral Ushakov Maritime State Academy. Ph. 8(8617)680-189. E-mail: [email protected]_
