Обоснование и разработка оптимальных методов приемно-сдаточных испытаний главных дизельных установок транспортных судов в условиях мелководных акваторий верфей

В решениях ХХУ1 съезда КПСС и последующих Пленумов ЦК КПСС особое внимание обращается на создание и широкое внедрение в производство энергосберегающей техники и технологии, на ускорение научно-технического прогресса во всех отраслях промышленности.

Судостроительная отрасль, являясь наиболее энергоемкой отраслью промышленности, ежегодно поставляет народному хозяйству до 400 единиц судов различного назначения. Из них около 95% составляют суда с дизельными установками. На обеспечение регулировоч-но-наладочных работ и испытаний этих судов в отрасли ежегодно расходуется до 5 тыс.т. дизельного топлива и масла. Наладкой и обслуживанием механизмов, систем и устройств ДУ занято более 1000 человек. Продолжительность наладочных работ и испытаний ДУ достигает 5−8% от общего цикла постройки судна.

Одним из главных резервов сокращения непроизводительных расходов в период сдаточных испытаний ДУ является оптимизация их объемов проверок и продолжительности испытаний на режиме специ-фикационной нагрузки на основе использования имитационных методов.

Однако до последнего времени отсутствовали критерии оценки работоспособности ДУ и правила их приемки с учетом агрегатной мощности главного двигателя (ГД), серийности постройки судна и условий испытаний на акватории верфи. Необоснованно были завышены объемы проверок и продолжительность испытаний ДУ на режиме спецификационной нагрузки, существовала проверка пусков ДУ с холодного состояния, что не обеспечивало нормальных условий для приработки наиболее нагруженных деталей и узлов нового дизеля, б не способствовало повышению эксплуатационной надежности ДУ.

Современный уровень развития судового дизелестроения и методов испытаний требовали изменения целей и задач приемо-сдаточных испытаний, проведения всесторонних исследований влияния условий акватории на изменение режимов работы ДУ. Необходимость в проведении подобных исследований была вызвана применением в ДУ систем дистанционного автоматического управления (ДАУ) и введением Регистром СССР классов автоматизации ДУ, повлекших за собой ужесточение требований к точности и качеству регулировочно-нала-дочных работ теплового процесса ГД.

Ранее практически не было известно насколько изменяется режим спецификационной нагрузки ДУ при наличии мелководья и ограниченности акватории, близости причальной стенки. При имитации ходовых режимов работы ГВ на швартовах влияние условий акватории не учитывалось. Это приводило к тому, что соответствие ГВ и ГД друг другу при работе ДУ в неограниченных и ограниченных условиях наступало при различных положениях органов управления, т. е.при различной цикловой подаче топлива, регулируемой до начала испытаний ДУ.

Таким образом, внедрение имитационных методов не решало всей проблемы испытаний ДУ. Регулировка системы ДАУ, выполненная с применением имитационного метода, оказывалась некачественной, в связи с чем требовалась повторная регулировка ДУ на ходу судна.

Отсутствие расчетных методов определения влияния условий акватории не позволяло прогнозировать изменение мощности ДУ и учитывать это изменение в момент регулировки параметров теплового процесса Щ и системы ДАУ. Кроме того, это затрудняло разработку оптимальной методики проведения приемо-сдаточных испытаний ДУ, а также подготовку сдаточного производства с учетом типа судна и условий акватории.

Цель работы — создание научных основ для разработки правил приемки главных ДУ транспортных судов в условиях акватории верфи, включающих критерии оценки работоспособности ДУ и методы приемосдаточных испытаний.

На защиту выносятся результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния условий акватории верфи на изменение режима спецификационной нагрузки ДУ, а также влияния продолжительности испытаний на безотказность ДУ при работе на полной нагрузке.

Научная новизна работы. Разработан расчетный метод определения уровня нагрузки ДУ в зависимости от изменения осевой скорости потока и гидродинамических характеристик ГВ, вызванного влиянием мелководья и ограниченности площади свободной поверхности воды акватории позади корпуса судна (КС).

Установлена вероятностная зависимость изменения уровня нагрузки ДУ от раздельного и совместного влияния мелководья и ограниченности площади акватории.

Определена статистическая зависимость количества отказов-отклонений от заданного уровня нагрузки ГД при различной продолжительности приемо-сдаточных испытаний ДУ на режиме спецификационной нагрузки.

Практическая ценность работы. Разработаны правила приемки главных ДУ транспортных судов, включающие в себя нормативы продолжительности приемо-сдаточных испытаний и критерии оценки работоспособности ДУ на режиме спецификационной нагрузки, а также требования к объему проверок на этом режиме и температурному состоянию ГД перед пусковыми испытаниями, которые включены в государственный стандарт (ГОСТ 21 792−7б) «Установки дизельные судовые.

Правила приемки и методы приемо-сдаточных испытаний на судне" и отраслевой стандарт (ОСТ 5,4252−78) «Установки дизельные судовые. Типовые программы и методика приемо-сдаточных испытаний» .

Расчетный метод определения влияния мелководья и ограниченности акватории позволяет прогнозировать величину изменения мощности ДУ в зависимости от конкретных условий до проведения сдаточных испытаний, а также величину поправки на компенсацию этого изменения при регулировке параметров теплового процесса ГД и системы ДАУ, что обеспечивает повышение точности и качества наладочных работ и исключение их на ходу судна.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в проектирование, производство и эксплуатацию судов. Годовой экономический эффект от внедрения в народном хозяйстве составил 1,5 млн. рублей.

Апробация работы. Основные материалы диссертации доложены и обсуждены на научно-технических конференциях Ленинградского кораблестроительного института в 1982,1983 и 1984 годах, на заседании секции НТО им. академика А. Н. Крылова (г.Ленинград) в 1982 г., на заседании Государственного Комитета Стандартов Совета Министров СССР в 1981 г.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в пяти статьях, защищены двумя авторскими свидетельствами.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из пяти глав, введения, списка литературы из 90 наименований, содержит 122 страницы машинописного текста, 26 иллюстраций и 5 таблиц.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

Обозначение.

Размерность.

Наименование.

X кс, Вкс? акВ, Вакв /?

РшВ &-т.

9-е.

ПьшВ МршВ кВт.

Вп Ы2.

БакВ «2 м/с.

Ги м/с м и ¡-1гр Тк % м м м м.

77* ГР м2 м/с.

Гагр м/с.

Гач Уа05Р ТГаст м/с м/с м/с к?, к[ м м м.

Н Н кг/ч кг/кВт*ч с-1.

Н"м.

Диаметр гребного винта (ГВ).

Длина и ширина корпуса судна (КС).

Длина и ширина акватории верфи.

Сопротивление воды движению судна.

Упор ГВ на швартовах.

Часовой расход топлива главного двигателя (ГД).

Удельный расход топлива ГД.

Частота вращения ГД на швартовах при отсутствии ограничений по мелководью и габаритам акватории.

Момент сопротивления вращению ГВ на швартовах при отсутствии ограничений.

Мощность, потребляемая ГВ на швартовах при отсутствии ограничений.

Площадь гидравлического сечения потока, отбрасываемого ГВ.

Площадь гидравлического сечения акватории верфи.

Осевая скорость вызванного потока в диске ГВ.

Окружная скорость вызванного потока.

Заглубление оси ГВ относительно свободной поверхности воды.

Расстояние от «оси ГВ до грунта.

Глубина воды под килем судна.

Осадка кормовой части КС.

Расстояние от оси ГВ до основной линии.

Площадь гидравлического сечения ГВ.

Неразмывающая скорость частиц грунта.

— Осевая скорость вызванного потока вблизи грунта.

Осевая скорость в центре потока.

Скорость обратного потока.

Осевая скорость вызванного потока вблизи стенки.

Гидродинамические коэффициенты упора и момента ГВ.

ВЫВОДЫ: Технико-экономическая эффективность результатов исследований по теме диссертации обеспечивается за счет внедрения нормативных документов, устанавливающих новые требования к правилам приемки ДУ, более оптимальные режимы испытаний. Эта эффективность складывается за счет экономии затрат при сдаче судов, при разработке приемо-сдаточной документации и при эксплуатации судна. Экономия затрат при сдаче судов обеспечивается за счет сокращения численности сдаточной команды и расхода дизельного топлива и масла. Экономия в проектной организации получается за счет сокращения трудоемкости разработки и согласования одной программы и методики испытаний ДУ. Экономия в морских парнходствах обеспечивается за счет увеличения надежности ДУ после сдаточных испытаний и продления межремонтного периода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В результате выполнения комплекса теоретических и экспериментальных исследований созданы научные основы и впервые в отрасли разработаны правила приемки и оптимальные методы приемосдаточных испытаний главных дизельных установок (ДУ) транспортных судов в мелководных и ограниченных условиях акваторий верфей, которые включены в государственный (ГОСТ 21 792−76) и отраслевой (ОСТ 5.4252−78) стандарты.

2. Установлены критерии оценки работоспособности главных ДУ с гребными винтами фиксированного шага, обеспечивающие испытания и приемку их в условиях акватории верфи:

— закономерность изменения основных параметров главного двигателя (ГД) и вид сдаточных характеристик;

— продолжительность сдаточных испытаний на режиме спецификацион-ной нагрузки;

— комплекс параметров для оценки тепловой и динамической нагрузки ГД и оптимальный объем проверяемых показателей;

— количество отклонений-отказов ДУ, приводящих к нарушению работоспособности ДУ в результате нестабильности работы ГД на заданном режиме нагрузки.

Установлено, что работоспособность ДУ определяется по изменению уровня тепловой и динамической нагрузки ГД в точке пересечения винтовых и ограничительных характеристик ДУ на графике вида Яе =/(Я) и Ме =/(/7) с координатами Меном, ЖбЕШ, П ном • Эти характеристики приняты в качестве основных сдаточных характеристик, так как они позволяют одновременно проверить тяговые свойства ДУ при полном крутящем моменте и ее энергетические возможности при полной частоте вращения, которые свойственны режимам работы ДУ на швартовах и на ходу судна.

3. Установлено, что изменение режима нагрузки ДУ при испытании в условиях акватории верфи определяется условиями работы гребного винта (ГВ) и положением его относительно грунта и поверхности воды, а также расстоянием от диска ГВ до преграды, ограничивающей действие вызванного потока. Для поддержания режима специ-фикационной нагрузки ДУ при изменении условий испытаний необходимо постоянно корректировать положение винтовой характеристики, используя для этих целей имитационные устройства с подводом атмосферного воздуха.

4. Определена вероятностная зависимость распределения потока простейших отказов-отклонений от заданных режимов нагрузок ДУ при различной продолжительности испытаний, на основе которой установлена оптимальная продолжительность приемо-сдаточных испытаний ДУ на режиме спецификационной нагрузки.

Установлено, что работа ДУ на этом режиме нагрузки особенно неустойчива в первые 2−4ч, когда ГД не достиг еще теплового равновесия. Поэтому изменение внешней среды в этот период оказывает большое влияние на устойчивость работы ГД, его способность сохранять заданный режим нагрузки.

При увеличении длительности испытаний свыше 4−6 ч режим спецификационной нагрузки практически не изменяется.

5. Определены наиболее оптимальные температурные условия, обеспечивающие проведение пусковых испытаний ДУ при минимальных продуктах износа в отработанном масле, что позволило создать нормальные условия в период испытаний для приработки наиболее нагруженных деталей нового дизеля и повысить эксплуатационную надежность ДУ.

На основании этого изменены существовавшие ранее требования к пусковым испытаниям: исключены холодные пуски (при температуре не ниже 8°С), пусковые испытания проводятся при предварительном подогреве ГД до температуры 40−45°С. Испытания на холодный пуск проводятся только на головном судне или на головном образце ГД, установленного на серийном судне.

6. Установлены аналитические зависимости и разработан расчетный метод определения величины изменения режима спецификационной нагрузки ДУ в зависимости от осевой скорости вызванного потока при различных условиях испытаний, характеризуемых мелководьем и ограниченностью акватории.

Эффективный крутящий момент ГД расходуется, в основном, на преодоление сопротивление вращению ГВ и отбрасывание масс воды, проходящих через гидравлическое сечение винта со скоростью, равной осевой скорости динамического напора. Определена зависимость осевой скорости вызванного потока от гидродинамического коэффициента упора и диаметра ГВ и от частоты вращения ГД при различных расстояниях от диска ГВ и глубины воды акватории.

С уменьшением глубины воды под килем судна до 0, lDв момент сопротивления вращению ГВ и крутящий момент ГД возрастают, примерно в 1,25 раза по сравнению с номинальным значением. Ограничение площади акватории за счет уменьшения ее размеров по длине и ширине приводит к образованию обратного потока и частичной разгрузке ДУ по моменту. При размерах акватории по длине, равных четверти длины корпуса судна (КС), и по ширине, равных ширине КС, сопротивление вращению ГВ и потребляемая винтом мощность уменьшаются, примерно, в 1,3 раза по сравнению с номинальными значениями. При увеличении глубины воды под килем судна до 0,7UB и размеров акватории по длине и ширине, равных, соответственно, длине и и 4-кратной ширине КС режим нагрузки ДУ практически не изменяется.

Близость причальной стенки практически не оказывает влияния на изменение режима нагрузки ДУ. Однако вызванный винтом поток воздействует на стенку на относительно близком расстоянии и с большой скоростью, что является причиной размыва грунта у основания причальных свай и разрушения причальных стенок.

Разработаны способы швартовки судна к причальной стенке на период сдаточных испытаний ДУ, исключающие их размыв и разрушение.

7. Определены вероятностные законы изменения основных параметров ДУ в виде уравнений регрессии и разработан расчетный метод определения этих параметров в зависимости от глубины воды под килем судна и площади гидравлического сечения акватории, позволившие обосновать требования к необходимым условиям проведения приемо-сдаточных испытаний ДУ на акватории верфи.

Установлено, что наибольшее изменение режима нагрузки ДУ по моменту, достигающее — 18% номинального значения, имеет место при одновременном влиянии мелководья и ограниченности акватории в следующих сочетаниях:

— глубина воды под килем меньше 0,4^7В;

— площадь гидравлического сечения акватории меньше 0, ЗЗа5кс (5КС — площадь КС по ватерлинии).

Наиболее благоприятными условиями являются условия, характеризуемые глубиной воды под килем 0,5^7 В и площадью гидравлического сечения акватории больше 0,6л5кс. При этих условиях режим работы ДУ легче номинального «примерно, на 5−7%.

Работа ДУ в условиях мелководья требует использования имитационных устройств для разгрузки ГВ по моменту, в то время как работа ДУ в условиях ограниченности акватории требует создания дополнительной нагрузки.

8. Оптимальный метод имитационных испытаний ДУ, обеспечивающий разгрузку ГД по моменту при работе в условиях мелководья или нагрузку при работе в условиях ограниченной акватории, должен выбираться с учетом следующих факторов:

— конструктивных особенностей КС и возможности размещения разгрузочного (нагрузочного) устройства в кормовом подзоре ахтерштев-ня;

— возможного диапазона изменения осадки кормовой части КС,.

— прочности причальных сооружений и швартовных средств;

— способа швартовки судна, исключающего размыв стенки;

— условий проведения испытаний, которые должны учитываться в период проведения регулировочно-наладочных работ.

9. Разработаны нормативные требования к выбору сдаточной характеристики в зависимости от типа ДУ, продолжительности сдаточных испытаний на режиме спецификационной нагрузки, проведению пусковых испытаний и соблюдению определенных условий на акватории верфи, не оказывающих влияние на сдаточные режимы ДУ. Эти требования включены в ГОСТ 21 792–76 и ОСТ 5.4252−78.

Ю. Осуществлено внедрение полученных результатов работ в производство, проектирование и эксплуатацию. Эффективность внедрения складывается из экономии затрат при сдаче судов, разработке приемо-сдаточной документации и эксплуатации судна. Экономия затрат при сдаче судна обеспечивается за счет сокращения численности сдаточной команды и расхода дизельного топлива и масла. При проектировании экономия получается за счет сокращения трудоемкости разработки программ и методик испытаний ДУ. Экономия в эксплуатации обеспечивается за счет увеличения надежности ДУ после сдаточных испытаний на акватории верфи и продления в связи с этим межремонтного периода. Годовой экономический эффект от диссертационной работы в народном внедрения разработок по теме хозяйстве составил 1 269 604 руб.