Исследование достоверности определения эффективной мощности главных судовых ДВС различными методами

Приемо-сдаточные испытания главных дизельных установок (ГДУ) судов проводятся в разных климатических и погодных условиях в течение всего года на акваториях с различными глубинами, размерами, наличием течений, приливов и отливов, которые влияют на оптимальные условия проведения испытаний и могут привести к изменению режимов работы гребного винта и кинематически связанного с ним главного двигателя (ГД) судна.

Первостепенную важность для флота, судостроительной и судоремонтной отраслей промышленности имеет задача достоверного определения эффективной мощности Ре главных судовых двигателей внутреннего сгорания (ДВС), так как правильное задание Ре определяет качество регулировочно-наладочных работ главных судовых ДВС, от которых зависят эксплуатационная надежность и экономические показатели работы двигателей. При этом достоверность определения Ре главных ДВС судов с винтами регулируемого шага (ВРШ) известными методами с помощью штатных средств измерений теплотехнических параметров часто не удовлетворяет требованиям действующей нормативно-технической документации. Вследствие этого на судоремонтных и судостроительных предприятиях (верфях) в процессе приемо-сдаточных испытаний главных дизельных установок (ГДУ) судов с ВРШ нередко возникали спорные ситуации, когда представители судовладельца полагали, что главные судовые ДВС не развивают спецификационной мощности, а представители промышленности наоборот утверждали, что двигатели работают с перегрузкой. Отсутствие универсального достоверного метода определения Ре главных судовых ДВС приводило к тому, что такие спорные ситуации разрешались только в процессе ходовых испытаний судна на мерной миле.

По этой причине до конца 80-х годов не имел широкого применения имитационный метод испытаний ГДУ судов с ВРШ потому, что достоверность нагружения главных двигателей (ГД) при испытаниях ГДУ судов с ВРШ имитационным методом не удовлетворяла требованиям Морского Регистра Судоходства РФ и судовладельцев.

Отклонения Ре главных двигателей на режимах испытаний главных судовых энергетических установок (ГСЭУ) должны удовлетворять ГОСТ 21792-76 "Установки дизельные судовые. Правила приемки и методы приемосдаточных испытаний на судне". При использовании имитационных методов испытаний ГСЭУ в ходовых режимах на швартовах отклонение мощности на промежуточных режимах должно быть ± 5 %, а на режимах номинальной и максимальной мощности до 5 %.

Проблеме определения Ре судовых ДВС посвящены работы Ваншейдта В.А., Возницкого И.В. ( Возницкий и др ., 1975), Гордеева П.А., Захаренко Б.А., Коптева К.Н., Магнитского Ю.А., Овсянникова М.К. ( Овсянников, Петухов , 1987), Олейникова Б.И. (1986), Петровского Н.В. (1956), Шишкина В.Г. и другие.

Известные методы определения Ре судовых ДВС имеют ограниченное применение в эксплуатации из-за отсутствия на многих ГД судов специальных штатных средств измерений крутящего момента, среднего индикаторного давления, расхода топлива и других параметров. Большинство главных судовых двигателей, работающих в составе прямой передачи мощности или через редуктор на гребной винт судна, не имеют специальных средств измерения крутящего момента на валу гребного винта (открытого или в насадке).

Задачей исследований, проведенных автором, являлось изучение и сравнение достоверности определения эффективной мощности главных ДВС рыболовных траулеров, работающих в составе прямой или через редуктор передачи мощности на гребной винт судна, различными методами.

• 2.    Анализ достоверности определения Ре главных судовых ДВС различными методами

  Автором разработан универсальный вероятностно-статистический метод определения Ре ДВС ( Амахин , 1993), позволяющий провести анализ достоверности определения Ре главных судовых ДВС другими известными методами.

Влияние вариаций опытных распределений значений на достоверность определения Ре ДВС по расходу топлива

В настоящее время Ре некоторых типов главных судовых ДВС определяют по расходу топлива G f объемным методом с помощью штатных мерных бачков ( Ваншейдт и др ., 1978) или по положению регулирующей рейки m_T топливных насосов высокого давления (ТНВД), которое косвенно характеризует расход топлива двигателем ( Фомин , 1985).

Необходимо отметить, что в составе многих главных судовых ДВС, находящихся в эксплуатации судов, штатные мерные бачки не предусмотрены, например, 8ЧРН 40/48 (8ZL 40/48) БМРТ типа "Иван Бочков". На остальных судах процесс определения расхода топлива мерными бачками не автоматизирован, и данные измерений не выносятся в центральный пост управления (ЦПУ) машинного отделения, что делает невозможным оперативный контроль Ре ГД. При этом для проведения измерений расхода топлива ГД требуется привлечение одного-двух человек из состава машинной команды судна, которая в современных условиях и без того трудится очень интенсивно. Значительно проще контролировать Ре ГД по положению регулирующей рейки ТНВД. В этом случае процесс измерений легче автоматизировать и данные измерений можно вынести в ЦПУ машинного отделения судна. Например, это предусмотрено в конструкции главных двигателей 8ЧН 20/26 рыболовных траулеров проекта "Атлантик 333".

Сравним достоверность определения Ре по G f и m_T двух групп двигателей 6ЧН 25/30 и 6ЧН 24/31. Воспользуемся универсальным методом определения Ре ДВС ( Амахин , 1993). При этом Ре двигателей будем определять по одному из рассматриваемых параметров Ре = φ ( x_an ), где x_an = G f или m_T . Рассчитаем относительные ошибки определения Ре по каждому из рассматриваемых параметров по данным стендовых испытаний для каждой из двух групп новых однотипных двигателей 6 ЧН 25/30 и 6 ЧН 24/31 на всех основных режимах нагрузки.

Для каждого из параметров по известным математическим зависимостям определим среднюю величину x_an , дисперсию σ_Xan , значение доверительной случайной погрешности ε_Xan ( P ), коэффициент вариации V_an , коэффициент линеаризации функции ν_an ( Амахин , 1993).

Относительные ошибки определения Ре двигателей вычислим по формуле:

Рис. 1. Эталоны значений основных              Рис. 2. Эталоны значений основных

теплотехнических параметров G f или m_T для контроля эффективной мощности двигателя 6ЧН 25/30

теплотехнических параметров G f или m_T для контроля эффективной мощности двигателя 6ЧН 23/31

δ Ре = ± t a × V an × ν an × 100, %,                            (1)

где t_a – коэффициент Стьюдента.

Данные вычислений сведены в табл. 1.

На рис. 1 и 2 представлены эталоны для контроля Ре двигателей 6 ЧН 25/30 и 6 ЧН 24/31 по G f и m_T . Из табл. 1 следует, что достоверность определения Ре двигателей по G f в несколько раз выше, чем по m_T . Необходимо отметить, что для разных типов ДВС достоверность определения Ре одним и тем же методом может существенно различаться.

Достоверность определения Ре судовых ДВС по расходу топлива объемным методом штатными мерными бачками удовлетворяет требованиям ГОСТ 21792-89 и в несколько раз выше, чем по положению регулирующей рейки ТНВД. Достоверность определения Ре судовых ДВС по положению регулирующей рейки ТНВД редко удовлетворяет требованиям ГОСТ 21792-89, что ограничивает возможность использования этого метода. Однако для оперативного определения эффективной мощности главных судовых ДВС по расходу топлива с помощью штатных мерных бачков требуется автоматизировать процесс измерений, так как иначе пользоваться этим методом на практике сложно и во многих случаях нецелесообразно.

Таблица 1

Параметр	Ре , %	Расчетные значения
		x , кг/ч an	σ Xan , кг/ч	ε Xan ( P ), кг/ч	an	νan	δ Ре , %
Для двигателей 6 ЧН 25/30
G f , кг/ч	50	93,31	0,5971	± 1,3555	0,0064	1,0201	±1,5
	75	137,94	0,8618	± 1,1952	0,0062	1,0254	±1,5
	100	182,10	0,3521	± 0,7184	0,0019	0,9680	± 0,4
	110	203,78	1,1341	± 2,5744	0,0056	0,8399	±1,1
m T , деления	25	3,94	0,1430	± 0,3246	0,0363	1,0317	± 8,5
	50	5,54	0,0966	+ 0,2193	0,0174	1,4004	±5,5
	75	6,99	0,1449	± 0,3290	0,0207	1,4226	± 6,7
	100	8,54	0,1435	± 0,2927	0,0168	1,4374	± 4,9
	110	9,07	0,1829	+ 0,4151	0,0202	1,6194	± 7,4
Для двигателей 6 ЧН 24/31
G f , кг/ч	25	45,971	0,5486	± 1,2452	0,0119	1,0606	±3,5
	50	84,548	1,3266	± 3,0114	0,0157	1,0640	± 3,8
	75	122,882	1,1325	± 2,5708	0,0092	1,0343	± 2,2
	100	163,663	0,8256	± 1,4044	0,0050	0,9613	± 1,1
	110	182,470	0,7953	± 1,8053	0,0044	0,8702	± 0,9
m T , деления	25	3,27	0,2751	± 0,6244	0,0841	I,1638	±22,2
	50	5,04	0,2797	± 0,6349	0,0555	1,2082	±15,2
	75	6,68	0,3584	± 0,8135	0,0537	1,2875	±15,7
	100	8,24	0,3992	± 0,8343	0,0484	1,3050	±13,2
	110	8,89	0,4606	± 1,0455	0,0518	1,2677	±14,9

Влияние вариаций опытных распределений значений на достоверность определения Ре ДВС по среднему индикаторному давлению в цилиндрах

Ре судовых ДВС можно определять по среднему индикаторному давлению p_i в цилиндрах двигателя. ГОСТ 21 792-89 устанавливает, что погрешность определения Ре этим методом не должна превышать ± 5 % на режиме номинальной мощности.

В настоящее время определение эффективной мощности по p i в цилиндрах некоторых судовых ДВС производится штатными механическими с индикаторным приводом или переносными электрическими с пьезоэлектрическими датчиками давления индикаторами, которые позволяют получать индикаторные диаграммы в координатах давление в цилиндре – угол поворота коленчатого вала двигателя.

Рассмотрим погрешности определения Ре по p i , определяемому штатными механическими с индикаторным приводом индикаторами. Для примера рассмотрим главные двигатели 6ДРН 50/90 БМРТ типа "Грумант". В цилиндрах двигателей 6ДРН 50/90 p_i определяется по снятым индикаторным диаграммам с помощью планиметра. Необходимо отметить, что определение p_i в цилиндрах двигателя таким способом является одним из наиболее трудоемких и продолжительных видов измерений параметров ДВС, что делает невозможным оперативный контроль Ре ГД судов.

Таблица 2

Ре , %	Расчетные значения
	x , МПа an	σ Xan , МПа	ε Xan ( P ), МПа	V an	ν an	δ Ре , %
25	0,3429	0,0305	± 0,0732	0,0890	0,9410	± 20,1
50	0,4670	0,0272	± 0,0598	0,0582	1,0931	± 14,0
75	0,06320	0,0213	± 0,0468	0,0336	1,3291	± 9,8
100	0,7486	0,0175	± 0,0357	0,0233	1,7653	± 8,4
110	0,7883	0,0129	+ 0,0283	0,0163	1,9848	± 7,1

Рис. 3. Эталон значений p i для контроля эффективной мощности двигателя 6ДРН 50/30

Рис. 4. Эталон значений p t для контроля эффективной мощности двигателя 6ЧРН 52.5/72

Определение погрешности измерения Ре по p i произведём аналогично вышеизложенному.

Данные вычислений сведены в табл. 2.

На рис. 3 представлен эталон для контроля Ре двигателя 6ДРН 50/90 по p_i .

Из табл. 2 следует, что погрешность определения Ре двигателя 6ДРН 50/90 по p_i , измеряемому штатными механическими с индикаторным приводом индикаторами, не удовлетворяет требованиям ГОСТ 21 792-89.

В случае отсутствия индикаторного привода на механический индикатор, например, как у широко используемого в измерениях судовых ДВС переносного немецкого механического поршневого индикатора типа 30 (50) с наружной пружиной, достоверность определения Ре по p_i будет еще меньше, так как при этом невозможно обеспечить строгую зависимость давления в цилиндре, подверженного цикловым изменениям, от угла поворота коленчатого вала двигателя.

Рассмотрим погрешности определения Ре по p i в цилиндрах ДВС, оборудованных индикаторным кранами, измеряемому электрическим индикатором с пьезоэлектрическими датчиками давления. В случае отсутствия статистических данных измерений p i в процессе стендовых испытаний новых двигателей Ре ДВС в эксплуатации на всех основных режимах нагрузки можно определить по формуле ( Ваншейдт , 1978):

Ре = 1,634 i d z V s n d η m , кВт,

где i_d – число цилиндров, z – коэффициент тактности ( z = 0,5 для четырехтактных и z = 1 для двухтактных двигателей), V s – рабочий объем цилиндра, м³, n d – частота вращения коленчатого вала, об/мин, η m – механический коэффициент полезного действия.

Наибольшее распространение при испытаниях главных двигателей судов в настоящее время получили переносные электроизмерительные комплексы типа NK с датчиками давления GT-20 норвежской фирмы Autronica. Эти комплексы отличает высокая оперативность измерений p_i , так как в их составе имеется ЭВМ. Данные измерений выводятся на дисплей и могут быть распечатаны ( Кааре Ааен , 1989).

Параметры V s , n d , p i , η m на каждом режиме нагрузки имеют определенные погрешности, которые зависят от погрешностей средств измерений, конструктивных особенностей, технологии изготовления и сборки, параметров рабочего процесса в цилиндрах двигателя ( Грин, Орехов , 1987; Карминский, Магнитский , 1979).

Достоверность определения Ре по pi в цилиндрах ДВС зависит от конструктивных особенностей средств измерений pi и условий их применения. С целью повышения достоверности определение Ре целесообразно производить по эталону, составленному по данным измерений pi в цилиндрах в процессе испытаний представительной группы новых однотипных ДВС. В случае отсутствия таких данных необходимо учитывать погрешности совокупного числа параметров, что снижает достоверность определения Ре по pi в цилиндрах двигателя.

Влияние вариаций опытных распределений значений на достоверность определения Ре ДВС по среднему во времени давлению в цилиндрах

В настоящее время Ре некоторых ДВС определяют с помощью штатного пиметра по среднему во времени давлению в цилиндрах p_t ( Ваншейдт и др ., 1978).

Рассмотрим погрешности определения Ре по p_t на примере главного двигателя 6ЧРН 52,5/72 рыболовных траулеров проекта 1386. В цилиндрах двигателя 6ЧРН 52,5/72 p_t определяется с помощью штатного пиметра.

Определение погрешности измерения Ре по p_t произведём аналогично вышеизложенному.

Данные вычислений сведены в табл. 3.

На рис. 4 представлен эталон для контроля Ре этого двигателя по p t .

Из табл. 3 следует, что погрешность определения Ре двигателей 6ЧРН 52,5/72 по p t не удовлетворяет требованиям ГОСТ 21792-89. Таким образом, на практике пиметрами целесообразно пользоваться только при контроле распределения нагрузки по цилиндрам ДВС, так как в этом случае можно ориентироваться на относительные отклонения измеряемой величины p_t от среднего значения, которое при этом строго не регламентируется.

Таблица 3

Ре , %	Расчетные значения
	, МПа a n ,	σ Xan , МПа	ε Xan ( P ), МПа	17 an	ν an	δ Ре , %
25	0,3213	0,0243	0,0491	0,0757	1,5195	± 23,2
50	0,4480	0,0352	0,0711	0,0786	1,4261	± 22,6
75	0,5931	0,0316	0,0638	0,0533	1,1954	± 12,9
100	0,7701	0,0585	0,1182	0,0760	1,0087	± 15,5
110	0,8603	0,0522	0,1054	0,0607	0,8538	± 10,5

Влияние вариаций опытных распределений значений на достоверность определения Ре ДВС по углу поворота лопастей αл ВРШ

В процессе швартовных или ходовых испытаний ГДУ судов с механической передачей мощности на ВРШ необходимо достоверно задавать загрузку ГД на основных режимах испытаний, предусмотренных ГОСТ 21792-89. ВРШ обладают универсальной нагрузочной способностью и обеспечивают воспроизведение нагрузочной или винтовой конструктивных особенностей ГДУ при любых условиях. постоянной частоте вращения коленчатого вала) работают ГД в составе дизель-редукторных агрегатов (ДРА) с валогенераторами. По винтовой характеристике (при переменной частоте вращения коленчатого вала) работают ГД в составе ГДУ с прямой передачей мощности на ВРШ. В этом случае понятие "винтовая характеристики ГД в зависимости от По нагрузочной характеристике (при

характеристика ГД"

условное, так как она

обеспечивается одновременным заданием частоты вращения коленчатого вала, которая увеличивается с ростом нагрузки, и α л ВРШ. Частота вращения коленчатого вала n d для каждого основного режима нагрузки ГД всегда постоянна. При этом α л ВРШ в зависимости от скорости натекания потока воды на гребной винт (при отсутствии течений на акваториях, где производятся швартовные и ходовые испытания ГДУ или косого натекания потока на движитель при маневрировании судна на ходу) на швартовных и ходовых испытаниях будут отличаться при одинаковой загрузке ГД на идентичных режимах.

Рассмотрим влияние случайных погрешностей на достоверность определения загрузки главного двигателя 8ЧРН 40/48 БМРТ проекта В-408 (типа "Иван

Рис. 5. Эталон для контроля эффективной мощности двигателя 8ЧРН 40/48 БМРТ проекта В-408 по углу поворота лопастей α л ВРШ на ходовых испытаниях

Бочков") по α_л ВРШ на идентичных режимах ходовых испытаний представительной группы ГДУ.

Определение погрешности измерения Ре по α_л ВРШ произведём аналогично вышеизложенному.

Данные вычислений сведены в табл. 4.

На рис. 5 представлен эталон для контроля Ре двигателя 8ЧРН 40/48 по α_л ВРШ.

Из табл. 4 следует, что погрешность определения Ре главного двигателя 8ЧРН 40/48 БМРТ проекта В-408 по α_л ВРШ не удовлетворяет требованиям ГОСТ 21 792-89.

Необходимо также учитывать и то обстоятельство, что при наличии течений на акватории, где проходят швартовные или ходовые испытания ГДУ, а также при маневрировании судна на ходу достоверность определения загрузки по α л ВРШ будет еще меньше. Таким образом, α л ВРШ может служить только справочной величиной при определении загрузки ГД.

Таблица 4

Ре , %	Расчетные значения
	x , МПа an	σ Xan , МПа	ε Xan ( P ), МПа	V an	ν an	δ Ре , %
25	11,7263	2,1911	+ 4,6013	0,1869	0,8137	+ 31,9
50	19,3053	0,9658	+ 2,0282	0,0500	1,2951	+ 13,6
90	24,1063	0,6361	+ 1,3613	0,0264	2,3004	+ 13,0
100	24,6666	1,1350	+ 2,2701	0,0460	2,1707	+ 20,0
110	26,3789	0,8489	+ 1,7827	0,0322	1,4406	± 9,7

Влияние вариаций опытных распределений значений частоты вращения ротора турбокомпрессора n T , давления наддувочного воздуха после охладителя p int , максимального давления сгорания p max и температуры выпускных газов на выходе из цилиндров t g на достоверность определения Ре ДВС наиболее часто используемыми на судах методами

Рассмотрим погрешности определения Ре наиболее часто используемыми на морских судах методами по t g и n d , по p int и n d , по n T и n d и по p max и n d на примере группы главных двигателей 6ЧРН 52,5/72 рыболовных траулеров проекта 1386, работающих в составе передачи мощности через главный редуктор на ВРШ.

Определение погрешности измерения Ре по t g и n d , по p int и n d , по n T и n d и по p max и n d произведём аналогично вышеизложенному.

Данные вычислений сведены в табл. 5.

Таблица 5

Ре , %	δ Ре , %
	по t g и n d	по p int и n d	по n T и n d	по p max и n d	по G f и n d	вероятностно-статистическим методом
25	+ 10,8	+ 72,5	+ 15,0	+ 10,8	+ 7,1	+ 6,2
50	+ 16,5	+ 23,8	+ 10,3	+ 16,5	+ 7,1	+ 5,9
90	+ 17,8	+ 14,6	+ 8,1	+ 17,8	+ 4,7	+ 4,7
100	+ 12,5	+ 6,6	+ 8,2	+ 12,5	+ 3,9	+ 4,7
110	+ 14,1	+ 7,8	+ 11,4	+ 14,1	+ 3,8	+ 5,7

Из табл. 5 следует, что погрешности определения Ре двигателя 6ЧРН 52,5/72 известными методами по t g и n d , по p int и n d , по n T и n d и по p max и n d не удовлетворяют требованиям ГОСТ 21 792-89.

Пользоваться этими методами на практике при определении Ре ДВС не рекомендуется.

Для сравнения в табл. 5 приведены погрешности определения Ре двигателя 6ЧРН 52,5/72 по расходу топлива G f объемным методом с помощью штатных мерных бачков и вероятностностатистическим методом по комплексу его основных теплотехнических параметров, находящихся в функциональной зависимости от Ре ( Амахин , 1993).

Вероятностно-статистический метод дает наименьшую погрешность среди рассмотренных методов определения Ре двигателя 6ЧРН 52,5/72 на долевых режимах нагрузки, удовлетворяет требованиям ГОСТ 21 792-89 на режиме номинальной нагрузки и не зависит от технического состояния штатных мерных бачков для определения расхода топлива двигателем, которые часто выходят из строя после многих лет эксплуатации и не восстанавливаются в процессе ремонта.

• 3.    Заключение

  Установлено, что достоверность определения Ре судовых ДВС по G f объемным методом с помощью мерных бачков удовлетворяет требованиям ГОСТ 21792-89 и в несколько раз выше, чем по

  положению рейки топливного насоса высокого давления, которая редко удовлетворяет требованиям ГОСТ 21792-89. С целью оперативного определения Ре главных судовых ДВС по G f с помощью штатных мерных бачков требуется автоматизировать процесс измерений.

Установлено, что достоверность определения Ре судовых ДВС по p_i в цилиндрах зависит от конструктивных особенностей средств измерений и условий их применения. Достоверность определения Ре судовых ДВС по p_i в цилиндрах, измеряемому штатными механическими с индикаторным приводом индикаторами, не удовлетворяет требованиям ГОСТ 21792-89. С целью повышения достоверности определения Ре ДВС, оборудованных индикаторными кранами, по p i в цилиндрах, измеряемому электрическим индикатором с пьезоэлектрическими датчиками давления, целесообразно производить по эталону, составленному по данным измерений среднего индикаторного давления в процессе стендовых испытаний представительной группы новых однотипных ДВС.

Установлено, что достоверность определения Ре судовых ДВС по p_t в цилиндрах не удовлетворяет требованиям ГОСТ 21792-89. Пиметрами рекомендуется пользоваться только при контроле распределения нагрузки по цилиндрам ДВС.

Установлено, что достоверность определения Ре судовых ДВС наиболее часто используемыми на судах методами (по t_g и n_d , по p_int и n_d , по n_T и n_d и по p_max и n_d ) не удовлетворяет требованиям ГОСТ 21792-89.

Установлено, что угол поворота лопастей ВРШ не может однозначно определять загрузку главных судовых ДВС с механической передачей мощности на гребной винт. При этом достоверность определения Ре главных судовых ДВС по α л ВРШ не удовлетворяет требованиям ГОСТ 21792-89.

Определение Ре главных судовых ДВС целесообразно производить универсальным вероятностно-статистический методом по эталонному комплексу, составленному не менее чем из трех основных теплотехнических параметров, находящихся в функциональной зависимости от эффективной мощности на всех основных режимах нагружения двигателя и определяемых его штатными средствами измерений. Вероятностно-статистический метод дает наименьшую погрешность среди известных методов определения Ре главных судовых ДВС, работающих в составе прямой передачи мощности или через редуктор на гребной винт судна и применим для двигателей средней и большой мощности различных конструкций.