CC BY
28УДК 621.431.74
Р.А. Варбанец, доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой Ю.Н. Кучеренко, ассистент кафедры Н.И. Александровская, канд. техн. наук, доцент В.И. Кырнац, ст. лаборант
ОНМУ «Одесский национальный морской университет» Украина, 65029, г. Одесса, ул. Мечникова, 34
ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЬГЕНЕРАТОРОВ 6PL-24
Рассмотрены результаты параметрической диагностики двух судовых дизельгенера-торов Daihatsu 6PL-24. Диагностика по параметрам рабочего процесса производилась с помощью системы D4.0H, которая позволяет определять не только индикаторные параметры рабочего процесса дизелей, но и параметры топливоподачи и газораспределения. Используется алгоритмическая синхронизация данных (отсутствует необходимость разбивки маховика и установки фазового датчика), что позволяет получать данные непосредственно во время эксплуатации дизелей без их предварительной подготовки. Определение частоты вращения и диагностика и ГТН производится с помощью методов спектрального анализа.
Ключевые слова: рабочий процесс, топливоподача, газораспределение, система диагностирования, газотурбонагнетатель, спектральный анализ
В процессе теплотехнических испытаний (ТТИ) судовой энергетической установки (СЭУ) отдельно выделяется задача диагностики технического состояния дизельге-нераторов [1]. Как правило, в качестве дизельгенераторов используются четырехтактные средне- или высокооборотные дизели, от 2-х до 4-х единиц, которые находятся рядом друг с другом на отдельной платформе. Тот факт, что рядом находятся несколько абсолютно одинаковых двигателей, работающих в одинаковых условиях, значительно облегчает задачу их диагностики. Всегда есть возможность сравнить между собой параметры разных дизельгенераторов при одинаковой нагрузке и выявить проблему. Общей проблемой всех теплотехнических испытаний СЭУ, в принятой до сих пор практике, является необходимость активного вмешательства в режим работы судна. Учитывая нынешнюю ситуацию на морском торговом флоте, где реальностью является значительное снижение фрахтовых ставок, судовладельцы вынуждены эксплуатировать судно в режиме жесткой экономии. Такой режим предусматривает переход на пониженные мощности главных двигателей и соответствующую модификацию главных двигателей: изменение параметров топливоподачи и газораспределения и т.н. ß-tuning газотурбонагнетателей (ГТН). Эти действия производятся с целью снижения удельного эффективного расхода топлива и смещения его минимума ближе к нагрузкам 60% от номинальной паспортной мощности (MCR). Режим экономии при эксплуатации дизельгенераторов выражается в том, что их, где это возможно, переводят на тяжелое топливо, переходят на ходу на валогенератор (отключают дизельгенераторы) и контролируют режимы эксплуатации [1].
В этих условиях нежелательно не только отдельно организовывать мероприятие по теплотехническим испытаниям СЭУ (не связанное с перевозкой груза), но и даже принудительно изменять режим эксплуатации главных и вспомогательных дизелей. Все операции по определению теплотехнических характеристик и диагностике желательно проводить непосредственно в процессе эксплуатации и выполнения судном своей основной задачи. С точки зрения судовладельца, желательно, чтобы единственным вмешательством в режим работы судна при диагностике СЭУ являлась стабили-
зация курса и скорости судна на период испытаний главного двигателя и стабилизация электрической нагрузки электростанции во время испытаний дизельгенераторов.
На балкере типа capesize в качестве дизельгенераторов установлены дизеля 6PL-24 мощностью по 1200 bhp (880 кВт). Основные характеристики дизелей представлены в таб. 1.
Таблица 1
Основные характеристики дизеля 6РЬ-24
Тип двигателя 6PL-24, 6 ЧН 24/32 четырехтактный, с наддувом, тронко-вый, нереверсивный
Число цилиндров 6
Мощность 1200 э.л.с., 880 кВт
Частота вращения 720 RPM
Диаметр цилиндра 0,24 м
Ход поршня 0,32 м
Степень сжатия 12,5
Ккр / Lшатуна ГТН Хш = Якр /Ьш = S/(2*Ьш) = 0.24
VTR 201, 22000-26000 rpm (20 лопаток компрессора)
Результат индицирования ДГ1 и ДГ2 при одинаковой внешней нагрузке показан на рис 1. Индицирование производилось с помощью системы параметрической диагностики D4.0H. В ней реализуется алгоритмическая синхронизация данных и, благодаря этому, не требуется предварительная подготовка дизеля [2, 3]. В системе D4.0H исключена необходимость установки дополнительного синхронизирующего датчика на маховике и, соответственно, нет необходимости в остановке дизеля и подготовительных работах перед индицированием. Важным свойством D4.0H является определение параметров топливоподачи и газораспределения с помощью виброакустического датчика VS-20m, имеющего магнитную платформу для крепления к отдельным узлам двигателя.
6Р1.-24 (Ов 2) (mv "•)
!::
( 4» }"
I "
и —Ь П Рт*а Ммм - ?0,3 а«
(ш \ А /\ /\ \ 1 \ 1 \
У-д / \ / \ / \ 5 б \ (X \
¿0
о
I-
8«
Т: 14 ч х N >1
ПТЛЧПСЯ грт Ртлк Рготр И1" л
Ут 1Пч] Л» и) П т| 71 е*Л
¿1 а ю.4ъ й1 з
т и
73» 74
72> «
ПУ V» 48.1 7.83
1,>7 !/Г «т
41« 1« 7*Ь 41 1Ы 1.45 кя» 112 ГК «о 13^ 1« 1.М М-
I»
М,Г Кт
ИГ гм кш
«2 <32 141
т 71» 40» ».В! Г7Л 14,2 1,77
9 723 П2 48 9 «.Ю 4 '4.7 I м 1.М п.т 2Г.2' Нга« Рачпиэт
гг> ПЭ 419 «Я f7.lt 13.» 1Ь
1.4
си 17 з а,о
в)
Рис. 1. Сводные индикаторные диаграммы дизельгенераторов а) ДГ1 и в) ДГ2
При анализе рабочего процесса ДГ1 и ДГ2 в первую очередь очевидна разница в максимальных давлениях сгорания и сжатия на обоих дизелях. При параллельной работе и равномерном распределении нагрузки на ДГ1 большие температуры выпускных газов и, при этом, меньшее давление надувочного воздуха. Анализ сводных индикаторных диаграмм показывает неравномерность распределения мощностей по цилиндрам и параметров механической и тепловой напряженности обоих дизелей. Причиной этому является неравномерный износ цилиндропоршневой группы, топливной аппаратуры высокого давления и механизма газораспределения. Неравномерное распределение мощностей по цилиндрам является основной причиной повышенной вибрации двигателя. Анализ литературы [1, 3, 4] и длительный опыт проведения теплотехнических испытаний судовых дизелей показывает, что основная причина такой неравномерности - накопленные эксплуатационные дефекты топливной аппаратуры и изменение параметров впрыска топлива. Дефекты цилиндропоршневой группы и механизма газораспределения стоят на втором месте.
Параллельный с рабочим процессом анализ вибродиаграмм, полученных с помощью датчика У8-20ш, дает возможность наглядно определять дефекты работы форсунок, топливных насосов высокого давления (ТНВД) и клапанов газораспределения. Датчик фиксирует высокочастотные сигналы, возникающие при работе форсунки и при посадке клапанов. Характерная для нормальной работы форсунок форма вибродиаграмм впрыска наблюдается на ДГ1: цилиндрах 1,2,3 и ДГ2: цилиндрах 1,5 (рис. 1,2). Первый импульс соответствует подъему иглы и удару ее о верхний ограничитель, второй импульс соответствует удару иглы при ее посадке в распылителе. На других цилиндрах очевидно искажение формы вибродиаграммы, что характеризует различные дефекты впрыска: дробный впрыск, неплотную посадку в распылителе и, соответственно, подтекание иглы, неполный подъем иглы и.т.п. Во всех случаях, при искаженной вибродиаграмме впрыска, не обеспечивается качественный распыл топлива, что существенно ухудшает качество его сгорания.
в)
Рис. 2. Индикаторные диаграммы отдельных цилиндров. Определения неисправности механизма а) газораспределения и в) топливной аппаратуры высокого давления
На рис. 2в показана вибродиаграмма впрыска цил. 4 (ДГ2) с двойным первым импульсом и искаженным, практически отсутствующим вторым импульсом. Это характеризует дефекты форсунки: дробный впрыск топлива и неплотную посадку иглы в распылителе. Данная форсунка не обеспечивает требуемого качества распыливания и подтекает между впрысками, образуя нагар в камере сжатия. На рис. 2а показано неодновременное закрытие впускных клапанов, что является трудновыявляемым дефектом механизма газораспределения. Необходимо отметить один, очень важный вывод, который позволяет сделать индицирование двигателя с помощью D4.0H: при явных дефектах форсунки и привода клапанов газораспределения форма индикаторной диаграммы и основные параметры рабочего процесса пока еще соответствует норме (см. рис. 2в в сравнении с рис. 1в цил. 5, например)! Однако дефекты имеют свойство нарастать со временем эксплуатации и, через некоторое время, произойдет искажение и самой формы индикаторной диаграммы с фатальным ухудшением качества рабочего процесса и очевидным повышением температуры выпускных газов и дымности цилиндра.
Передние фронты вибродиаграммы впрыска характеризуют подъем и посадку иглы, т.е. показывают фазы топливоподачи (угол опережения и угол окончания впрыска топлива). Таким образом, система D4.0H позволяет не только диагностировать техническое состояние топливной аппаратуры высокого давления, но и определять фактические углы опережения впрыска и цикловые подачи топлива на каждом цилиндре.
Важными факторами нормальной работы дизеля являются параметры наддува. В большинстве случае, на дизельгенераторах используются современные высокопроизводительные системы газотурбонаддува. При работе четырехтактных дизелей по циклам Миллера и Аткинсона [1,3], газотурбонагнетатели обеспечивают постоянный наддув до 4 бар и выше. Если система наддува, по какой-либо причине, выходит из строя и не обеспечивает, или частично обеспечивает требуемые параметры наддува (давление и температуру надувочного воздуха), дизель резко теряет свою мощность и повышает удельный расход топлива.
Температура надувочного воздуха является статическим или медленно изменяющимся параметром и легко контролируется местными и дистанционными приборами. Она зависит от параметров окружающей среды, производительности и технического состояния воздухоохладителей.
Давление наддува прямо связано с частотой вращения газотурбонагнетателей. Несмотря на то, что давление надувочного воздуха тоже является статическим, медленно изменяющимся параметром, его измерение на практике редко производится с достаточной точностью. Это связано с большой относительной погрешностью измерения малых давлений и повышенной вибрацией в месте измерения. С другой стороны, контроль частоты вращения турбокомпрессора, если он возможен, наоборот, производится с относительно небольшими погрешностями [2, 5]. Для большинства дизелей, в рабочем диапазоне нагрузок (50-80% номинальной мощности) давление наддува и эффективная мощность, с некоторыми допущениями, прямо пропорциональны частоте вращения газотурбонагнетателя. В связи с тем, что частота вращения ГТН это один из немногих параметров СЭУ, который определяется с высокой точностью, его роль в диагностике состояния дизеля особенно высока. Для главных дизелей, имеющих тахометры турбин наддува, постоянный контроль частот их вращения не представляет проблем. При отсутствии прямых способов контроля, частота вращения ГТН, как точный и стабильный показатель, служит для механиков главным показателем нагрузки главного двигателя.
На дизельгенераторах, в связи с отсутствием в большинстве случаев тахометров турбин наддува, частота их вращения не контролируется. Во время эксплуатации производится контроль давления и температуры надувочного воздуха, по которым судят о состоянии всей системы газотурбонаддува. Как было указано выше, недостатками такого метода является относительно невысокая точность определения на прак-
тике давления наддува. Авторами предлагается контролировать частоту вращения газотурбонагнетателя с помощью спектрального анализа виброакустического сигнала компрессора ГТН [2, 4] (рис. 3).
ГГЛ /Ш А/
ntf
66Ё6 Hz /1Э8БТrpm
в)
Рис. 3. Спектры виброакустических сигналов ГТН УТЯ 201 дизельгенераторов 6РЬ-24 а) ДГ1, в) ДГ2
При формировании корректных ограничений, анализ спектра виброакустического сигнала компрессора ГТН позволяет выделить гармонику сигнала на лопаточной частоте компрессора [5]. Точность такого метода высока потому, что, во-первых, частота гармоники в спектре определяется с погрешностью шага дискретизации (в данном случае ± 2Гц [6]) при абсолютном значении определяемых частот 3-10 кГц, а во-вторых, определяются лопаточные частоты компрессора ГТН, т.е. ЯРМГТН * количество лопаток компрессора.
Кроме лопаточной гармоники компрессора ГТН в спектре анализируется гармоника на основной частоте вращения ротора ГТН. При нормальном техническом состоянии турбины наддува колебания на основной частоте практически отсутствуют и гармоника на основной частоте имеет незначительную амплитуду. При засорении выпускного тракта, наносе сажи на сопловых аппаратах и лопатках, а также при дефектах подшипников ГТН, амплитуда вибрации на основной частоте увеличивается [7], что легко контролируется при анализе спектра, см. рис. 3а, 3в. Такой метод имеет большое значение для контроля технического состояния двигателя в целом и ГТН именно дизельгенераторов, т.к. на судне есть возможность сравнивать дизельгенера-торы между собой. На рис. 4. Представлены сравнительные характеристики систем турбонаддува дизельгенраторов ДГ1 и ДГ2 (см. табл. 1).
20000
18000
14000
12000
0.6
0.4
0.2
0
P16000
□
10000
150
200
250 300
Power, kWt
350
400
Рис. 3. Зависимость оборотов турбин и давления наддува от нагрузки 1 и 2-го дизельгенераторов 6РЬ-24
0
Разные частоты вращения ГТН и разные давления наддувочного воздуха при одинаковых нагрузках характеризуют в целом систему турбонаддува дизелей. В данном случае очевидна необходимость профилактики системы турбонаддува ДГ1.
Выводы
Использование системы параметрической диагностики Б4.0И позволяет быстро и эффективно определять техническое состояние основных узлов дизеля: цилиндро-поршневой группы, топливной системы высокого давления и механизма газораспределения. Такая диагностика производится в процессе эксплуатации, без активного вмешательства и изменения штатного режима и, соответственно, без дополнительных накладных затрат. Использование диагностики по параметрам рабочего процесса в сочетании с определением параметров системы турбонаддува методами спектрального анализа, позволяет быстро, точно и эффективно определить техническое состояние дизеля, сократить сроки и минимизировать затраты на его ремонт.
Список литературы:
[1] Возницкий И.В. Современные судовые среднеоборотные двигатели / И.В. Возницкий - Издательство ООО «Моркнига» 2007 г. - 121 с.
[2] Varbanets R. Analyse of marine diesel engine performance / R. Varbanets, A. Karianskiy // Journal of Polish CIMAC. Energetic Aspects. - Gdansk: Faculty of Ocean Engineering and Ship Technology Gdansk University of Technology, 2012. - Vol. 7, №. 1. - C. 269-275.
[3] Варбанец Р.А. Мониторинг рабочего процесса судовых дизелей в эксплуатации / Р.А. Варбанец, В.Г. Ивановский // Двигатели внутреннего сгорания. Научно-технический журнал. -Харьков, 2004. - № 2(5). - С. 138-141.
[4] Варбанец Р.А. Параметрическая диагностика судовой дизельной энергетической установки в эксплуатации / Р.А. Варбанец, Ю.Н. Кучеренко, А.И. Головань // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков «ХАИ», 2011. - № 10(87). - С. 197-202.
[5] Отнес Р. Прикладной анализ временных рядов / Р. Отнес, Л. Эноксон - М. : Мир, 1982. -482 с.
[6] RightMark Audio Analyzer [Електронний ресурс]. - Режим доступу: audio.rightmark.org
[7] Соломатин С.Я. Особенности вибрационнго состояния центробежного компрессора при останове / С.Я. Соломатин, В.Н. Краевский, К.А. Кузьмин // НТиИ Компрессорная техника и пневматика. - Москва, 2012. - №1(2012). - С. 12-16.
PARAMETRICAL DIAGNOSTICS OF THE TECHNICAL CONDITION OF AUXILIARY ENGINES 6PL-24
R.A. Varbanets, Y.N. Kucherenko, N.I. Alexandrovskaya, V.I. Kirnats
Results of parametrical diagnostics of two auxiliary engines Daihatsu 6PL-24 are considered. Diagnostics of working process was made by means of D4.0H system which allows to define not only indicator parameters of working process of diesels, but also fuel feeding and gas distribution parameters. Algorithmic synchronization of data is used (there is no need installation of the phase sensor on flywheel). It allows obtain data directly during operation of diesels without their preliminary preparation. Determination of turbocharger rpm and its diagnostics is made by means of spectral analysis.
УДК 621.78
С.С. Казаков, аспирант ФБОУ ВПО «ВГАВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СВОЙСТВА ВЫСОКОПРОЧНЫХ ЧУГУНОВ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ СУДОВЫХ СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ, ОБРАБОТАННЫХ ЛАЗЕРОМ
В работе представлены результаты исследований поршневых колец обработанных лазером. Выявлен характер распределения химических элементов в чугунах поршневых колец, определено их влияние на микротвердость и износостойкость.
Ключевые слова: Поршневые кольца, микротвердость, износ, лазерная обработка, термоупрочнение, износостойкость
При лазерной обработке деталей, изготовленных из высокопрочного чугуна, в поверхностных слоях образуется структура белого чугуна.
Для повышения ресурса деталей, работающих в условиях трения, оптимальный состав структур металла в поверхностных слоях следует выбирать на основе совместного анализа особенностей технологии изготовления деталей и работы трущихся поверхностей. Наряду с традиционными способами упрочнения, лазерная обработка рабочих поверхностей деталей машин позволяет формировать структуру чугуна с дифференцированными физико-механическими свойствами.
Износостойкость белого чугуна, полученного лазерной обработкой, зависит от его механических свойств и свойств отдельных структурных составляющих (микротвердости, прочности, вязкости, формы, взаимного расположения и количественного соотношения). Основные структурные составляющие белого чугуна располагаются по возрастанию микротвердости в следующем порядке: эвтектоид (перлит, сорбит, тро-остит), аустенит, мартенсит, цементит, карбиды хрома, вольфрама и др. элементов. 158
