Кочергин Виктор Иванович. Обеспечение эффективности процессов регулирования частоты вращения эксплуатируемых судовых энергетических установок

Краткое описание

Кочергин Виктор Иванович. Обеспечение эффективности процессов регулирования частоты вращения эксплуатируемых судовых энергетических установок;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университете водного транспорта»], 2021

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
На правах рукописи

Кочергин Виктор Иванович
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Специальность 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы
(главные и вспомогательные)
Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Глушков Сергей Павлович
Новосибирск - 2020

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 6
1 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КАЧЕСТВА ПРОЦЕССОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК 18
1.1 Функции системы автоматического регулирования частоты вращения как составляющей судовой энергетической установки 18
1.2 Причины возникновения неравномерности крутящего момента энерге¬тических установок 27
1.3 Влияние условий эксплуатации на процессы регулирования частоты вращения 39
1.4 Влияние параметров рабочего цикла ДВС на параметры неравномерно¬сти крутящего момента и показатели эффективности энергетических уста¬новок 56
1.5 Выводы по главе 1. Постановка цели и задач исследования 62
2 АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРА¬ЩЕНИЯ КАК ФАКТОРА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СЭУ 66
2.1 Основные неисправности систем автоматического регулирования часто¬ты вращения 66
2.2 Исследование приоритетности и режима контроля технического состоя¬ния САРЧ 79
2.3 Анализ существующих методов и средств контроля технического со¬стояния САРЧ 92
2.4 Влияние технического состояния САРЧ на мощность и топливную эко¬номичность энергетических установок 101
2.5 Выводы по главе 2 110
3 ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕ¬СКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ 112

3
3.1 Совместное движение элементов энергетической установки и систем ав¬томатического регулирования частоты вращения 112
3.2 Использование динамических характеристик переходных процессов свободного разгона для контроля технического состояния САРЧ 126
3.3 Моделирование параметров крутильно-колебательных систем 143
3.4 Использование вейвлет-преобразований при исследовании процессов ав¬томатического регулирования 150
3.5 Выводы по главе 3 160
4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ ТОПЛИВОПОДА- ЧИ И ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРО¬ВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ 162
4.1 Влияние процессов регулирования топливоподачи и кинетики горения топлива на параметры неравномерности крутящего момента 162
4.2 Оптимизация величины степени нечувствительности регуляторов часто¬ты вращения 174
4.3 Использование передаточных функций для оценки совместного влияния параметров топливоподачи и САРЧ на внешние характеристики энергетиче¬ских установок 190
4.4 Выводы по главе 4 201
5 УЛУЧШЕНИЕ ПРОЦЕССОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕ¬НИЯ ЗА СЧЁТ ПРИМЕНЕНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ 203
5.1 Зависимость процессов регулирования частоты вращения и качества то¬плива от температуры окружающего воздуха 203
5.2 Использование каталитических технологий при тепловой подготовке энергетических установок 208
5.3 Перспективы использования каталитического окисления дизельного то¬плива 216
5.4 Методика расчёта параметров каталитических предпусковых подогрева¬телей 237
5.5 Выводы по главе 5 243

4
6 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ АВТОМА¬ТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ 246
6.1 Экспериментальное оборудование для исследования неравномерности крутящего момента и параметров САРЧ 246
6.2 Экспериментальные исследования влияния технического состояния ре¬гуляторов частоты вращения на параметры переходных процессов 257
6.3 Оценка влияния изменения качественного состава топлива на процессы регулирования частоты вращения и параметры рабочих процессов СЭУ 274
6.4 Исследование влияния температуры на переходные процессы в системах автоматического регулирования частоты вращения 294
6.5 Экспериментальные исследования работоспособности опытного образца каталитического процессора 299
6.6 Выводы по главе 6 308
7 ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 310
7.1 Совершенствование процессов автоматического регулирования частоты вращения 310
7.2 Предложения по использованию параметров переходных процессов и параметров неравномерности частоты вращения для контроля технического состояния САРЧ и энергетических установок в целом 313
7.3 Предложения по использованию водородсодержащего синтез-газа в ка¬честве топлива для судовых энергетических установок 330
7.4 Предложения по повышению качества тепловой подготовки энергетиче¬ских установок 336
7.5 Выводы по главе 7 342
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 343
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 347
ПРИЛОЖЕНИЯ 390
Приложение А. Методические указания по анализу параметров неравномер¬ности вращения энергетических установок и оценке технического состояния систем автоматического регулирования частоты вращения 392

5
Приложение Б. Акт внедрения научных разработок на Саянской дистанции
энергоснабжения 400
Приложение В. Акт об использовании результатов диссертационной работы
в АО «Хатангский морской торговый порт» 4 0 1
Приложение Г. Акт использования результатов диссертационной работы в
учебном процессе ФГБОУ ВО «СГУПС» 402
Приложение Д. Объекты интеллектуальной собственности, полученные в ходе выполнения диссертационной работы 403

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Наиболее существенные результаты и выводы, полученные в результате выполнения автором диссертационной работы, заключаются в следующем.
1. Установлена зависимость технико-экономических показателей судовых энергетических установок с дизельными двигателями внутреннего сгорания от качества процессов регулирования частоты вращения в условиях неустановив- шихся режимов работы и представлены соответствующие аналитические выраже¬ния.
2. Доказано, что параметры технического состояния систем автоматическо¬го регулирования частоты вращения, в частности, степень неравномерности регу¬лятора, относятся к приоритетным параметрам, подлежащим контролю в течение всего срока службы энергетических установок. На основании проведённых расчё¬тов на примере двигателей семейства Ч(ЧН) 15/18 определена рекомендуемая пе¬риодичность эксплуатационного контроля технического состояния регуляторов, составляющая 300 часов. Установлена связь технического состояния регуляторов частоты вращения с параметрами переходных процессов в системах автоматиче¬ского регулирования частоты вращения. Для механических регуляторов частоты вращения наиболее информативным диагностическим параметром является сте¬пень неравномерности. Получены регрессионные уравнения, определяющие зави¬симости значений первой отрицательной полуволны колебаний углового ускоре¬ния свободного разгона двигателя от величины степени неравномерности регуля¬тора. Для двигателей 4Ч 13/14 регрессионное выражение имеет вид
^max = 98,11-1,363р + 0,123;, а для двигателей размерности 4Ч 11/12,5: ^max = 101-9,073; + 0,263;.
3. Установлено влияние качества топлива, определяющего кинетику его го¬рения, на характер внутрицикловой и общей неравномерности крутящего момента энергетической установки и на процессы функционирования систем автоматиче¬ского регулирования частоты вращения, поскольку при условно адиабатическом

344
процессе сгорания топлива в цилиндрах ДВС, описываемом известным из теории
термодинамических процессов уравнением Pvk = const, различия в характере на¬растания давления в камере сгорания вызывают отличия в нарастании скорости поршня и в величине импульса поступательного движения деталей кривошипно¬шатунного механизма. Исследования, проведённые на примере влияния изменён¬ной кинетики сгорания при использовании добавок водородсодержащего синтез- газа, показали, что применение альтернативного топлива изменяет показатели неравномерности вращения коленчатого вала ДВС на величину до 9 %, а также изменяет параметры вибронапряжённости двигателей внутреннего сгорания и степень пульсации давления масла в главной масляной магистрали. В результате исследований влияния применения альтернативного топлива, изменяющего кине¬тику процессов горения топлива, на эксплуатационные характеристики и пара¬метры неравномерности вращения дизельных двигателей, установлено, что опти¬мальная величина добавки водородсодержащего синтез-газа к дизельному топли¬ву находится по массовым показателям в пределах от 3 до 10 %.