Актуальность темы
исследования. На морских судах находят широкое применение в качестве главных и вспомогательных двигателей среднеоборотные двигатели (СОД), которые составляют более 50% от общей суммарной мощности, установленных на судах дизелей («Yanmar», «MAN Diesel&Turbo», «Wartsila» и др.). В качестве агрегатов наддува для этих дизелей в большинстве случаев используются турбокомпрессоры (ТК) с радиально-осевой (РОС) турбиной производства компаний «ABB Turbo System», «MAN Diesel & Turbo», «Mitsubishi heavy industries» и т. д.
В течение последних десятилетий ведущими двигателестроительными компаниями велась интенсивная работа по переводу судовых дизелей на тяжелые сорта топлива и снижению эмиссии отработавших газов в связи с растущими требованиями защиты окружающей среды. Современные судовые СОД в основном работают на тяжелых сортах топлива вязкостью 380 сСт, что, несомненно, оказывает заметное влияние на работу как самого дизеля, так и ТК. Опыт эксплуатации показывает, что в связи с применением тяжелого топлива в СОД элементы проточной части РОС турбины ТК подвергаются абразивному износу под воздействием твердых частиц, которые содержатся в отработавших газах дизеля. Эффективность и надежность работы ТК во многом определяет технико-экономические показатели и надежность судовых дизельных установок. Подтверждение этому находится в работах отечественных ученых и инженеров, в докладах на конгрессах двигателестроения CIMAC за последние 10 лет, в которых сообщается о незапланированных простоях в работе судовых дизелей из-за большого количества неисправностей и отказов ТК. Применение тяжелых сортов топлива на судах морского и речного транспорта обуславливает необходимость и актуальность исследования механизма воздействия твердых частиц отработавших газов СОД на элементы проточной части турбин ТК, а также обоснование возможности применения сухих чистящих средств для очистки проточной части РОС турбин ТК СОД при их эксплуатации на тяжелом топливе.
Степень её разработанности. Обзор и анализ литературных источников, посвященных изучению абразивного износа элементов энергетического оборудования, выполненные за последние десятки лет показывают, что изучению абразивного износа элементов РОС турбин уделено мало внимания. Экспериментальные исследования проводились, в основном, для деталей судовых дизелей и их элементов. В исследованиях Л. И. Погодаева разрабатываются структурно-энергетические модели, выдвигаются основные гипотезы о причинах эрозии таких деталей как выпускные клапана судовых дизелей. В работе Н. С. Алферова рассматриваются исследования абразивного износа элементов энергетического оборудования при работе на твердом топливе и топливе вязкостью до 80 сСт. Большая часть литературных источников посвящена вопросам теоретических методов исследования абразивного износа деталей ТК. В исследованиях ученых ГМУ имени адмирала Ф. Ф. Ушакова рассмотрена математическая модель движения двухкомпонентной рабочей среды отработавших газов дизеля с твердыми частицами во входном устройстве (ВУ) турбины ТК. Модель позволила оценить влияние большого числа различных факторов: размера и формы частицстепень упругости соударения частиц с твердой стенкой каналахарактер распределения и скорость частиц во входном сечении и др. Определены физико-химические свойства материалов входных устройств и сопловых аппаратов (СА) РОС турбин ТК. В трудах Г. Ш. Розенберга рассматривается эрозия направляющих и рабочих лопаток центростремительных газовых турбин, проводится обобщение выполненных ранее экспериментальных и теоретических методов исследования абразивного износа деталей ТК при работе на топливе вязкостью до 80 сСт.
Однако в современных судовых СОД используется тяжелое топливо вязкостью 380сСт. В связи с этим в отработавших газах дизеля присутствуют твердые абразивные) частицы высокой твердости, которые изнашивают элементы проточной части РОС турбины ТК. Это приводит к снижению эффективности судовых дизелей из-за частой замены, например, СА ТК через 2000;4000 часов работы.
На данный момент нет опубликованных работ, посвященных экспериментальному определению количественного и качественного состава твердых (абразивных) частиц в отработавших газах СОД в эксплуатации на судне и стенде, и по оценке влияния различных эксплуатационных факторов на величину абразивного износа элементов проточной части РОС ТК в лабораторных условиях.
Цели и задачи. Цель диссертационной работы — совершенствование эксплуатации судовых среднеоборотных двигателей на основе исследования влияния различных факторов на величину абразивного износа элементов проточной части радиально-осевых турбин турбокомпрессоров.
Достижение поставленной цели осуществляется на основе решения следующих задач:
— анализ условий и проблем эксплуатации ТК с РОС турбиной судовых.
СОД;
— разработка устройств и экспериментального стенда для исследования параметров твердых частиц в отработавших газах СОД и влияния основных физико-механических и кинематических характеристик твердых материалов на величину абразивного износа деталей проточной части РОС турбин ТК;
— определение состава твердых (абразивных) частиц в отработавших газах судовых СОД в эксплуатации;
— разработка математической модели абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК на основе теории планирования эксперимента;
— проведение экспериментальных исследований влияния на абразивный износ деталей проточной части РОС газовых турбин ТК твердых материалов с различными физико-механическими и кинематическими характеристиками;
— разработка рекомендаций по очистке проточной части РОС турбин сухими чистящими средствами СОД, работающих на тяжелом топливе.
Научная новизна заключается:
1. В определении параметров твердых частиц в отработавших газах в коллекторе отработавших газов судовых СОД, работающих на тяжелом топливе 180-Р-ИМО 380 в широком диапазоне изменения нагрузок.
2. В оценке влияния угла атаки, скорости и массы абразивных частиц на процесс изнашивания элементов проточной части РОС турбин ТК судовых дизелей.
3. В разработке математической модели абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что.
— использованы основы теории планирования эксперимента в исследовании абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК;
— разработана математическая модель абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК на основе теории планирования эксперимента;
— определен количественный и качественный состав твердых частиц в отработавших газах судового СОД, работающего на тяжелом топливе 180-Р-ИУЮ 380 в широком диапазоне изменения нагрузок;
— предложен комплексный подход, позволяющий анализировать и прогнозировать влияние твердых материалов на абразивный износ элементов проточной части турбин ТК современных судовых дизелей;
— предложены рекомендации для снижения величины абразивного износа проточной части РОС турбины ТК путем конструкционного изменения соплового аппарата;
— обосновано применение сухих твердых веществ для очистки проточной части РОС турбины ТК.
Методология и методы исследования основываются на использовании экспериментальных методов (физико-механического, аэродинамического) исследования. Для решения поставленной цели и задач использованы в математических моделях — теория планирования экспериментав экспериментальных исследованиях — установка и приборы, обеспечивающие высокую точность измерений, достаточный объем экспериментальных данных.
Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:
— результаты экспериментальных исследований определения состава твердых (абразивных) частиц в отработавших газах судового СОД, работающего на тяжелом топливеО-Р-ЕШСт 380;
— математическая модель абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК на основе теории планирования эксперимента;
— результаты экспериментальных исследований процесса абразивного износа материалов проточной части РОС турбин ТК судовых дизелей;
— рекомендации по совершенствованию технической эксплуатации СОД путем изменения геометрии СА и применению очистки проточной части РОС турбин сухими чистящими средствами.
Степень достоверности и апробации результатов достигается комплексным использованием известных, проверенных практикой методов проведения экспериментатеорией подобия протекания процессов в различных средахпроведением натурных испытанийприменением точных приборовматематической моделью, разработанной на основе теории планирования эксперимента, проверкой адекватности модели с результатами эксплуатации ТК с РОС турбинами СОД, работающих на тяжелом топливе.
Материалы диссертации докладывались на:
— научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Морской государственной академии им. Ф. Ф. Ушакова, г. Новороссийск, 2009;2012гг.;
— конференции «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России / II межвузовская научно-практическая конференция студентов и аспирантов», Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций, 2011 г.;
— конференциях «Молодая наука 2009, 2011» Морской государственной академии имени адмирала Ф. Ф. Ушакова (г. Новороссийск);
— международной научно-технической конференции «Наука и образование-2011», г. Мурманск, 2011 г;
— всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы морской энергетики», Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, 2012, 2013гг.
Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 10 научных работах, все по теме диссертации. Из них 6 статей, 2 тезиса доклада, 2 отчет по НИР, 2 работы выполнены без соавторов, авторская доля в остальных от 30% до 60%. В рецензируемых научных журналах и изданиях рекомендованных ВАК РФ опубликовано 3 работы, авторская доля составляет от 40% до 50%.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка (60 наименований) и приложений. Основное содержание изложено на 130 страницах и включает 55 рисунков и 20 таблиц. Объем приложений 22 страницы.
Основные результаты исследований, полученные на экспериментальной установке, при условиях, описанных выше, представлены в таблицах П. 3.1, П. 3.2.
На рисунках 4.1,4.2, П. 3.1 — 3.4, построенных по экспериментальным данным, представленных в таблицах 4.1, 4.2, показано, как изменяется абразивный износ образцов в зависимости от угла атаки и массы различных абразивных материалов. Абразивный износ образцов определялся потерей веса образцов до и после испытания измерительными приборами (рис. 2.8).
На рисунках 4.1,4.2 в качестве примера показана зависимость абразивного износа образца № 1 в зависимости от угла атаки и массы различных абразивных материалов.
Из рисунков 4.1, 4.2 видно, что максимальный абразивный износ, происходит при углах близких к 30° и при максимальной величине (массы) абразивного материала. Это связано с более полным использованием кинетической энергии частицы при ударе в процессе разрушения поверхности. При углах отличных от 30° и малых размерах абразивного материала происходит уменьшение интенсивности абразивный износа образцов. Это связано с неблагоприятным соотношением сил, влияющих на величину абразивный износа образцов и с наименьшим запасом кинетической энергии самого абразива. угол а, град.
-&diams—масса абразивного материала (кг) 0,0003 -Д—0,0005 -А—0,0007.
Рисунок 4.1 — Зависимость абразивного износа образца № 1 от угла атаки электрокорундом.
О 10 20 30 40 50 60 угол а, град.
I —"-масса абразивного материала (кг) 0,0003 -а-0,0007~|.
Рисунок 4.2 — Зависимость абразивного износа образца № 1 от угла атаки крошкой.
На рисунке 4.3 показаны обобщенные зависимости абразивный износа образца № 1 от угла атаки при различных абразивах. Для сравнения показана осред-ненная зависимость, взятая из произведенных исследований Алферова Н. С. на 5-ти процентной никелевой стали при помощи золы твердого топлива (уголь) [1]. Из рисунка 4.3 видно, что абразивный износ образца № 1 в зависимости от абразивного материала сильно отличается электрокорунд (А^Оз) -0,48 грамм, крошка-0,05 грамм. Изменения абразивного износа образца № 1, указанных на рисунке 4.3 зависимостей 1 при использовании абразивного материала электрокорунда (А^Оз), имеет более интенсивное увеличение абразивный износа при углах атаки от 5-до 30°, чем при использовании абразивного материала крошки зависимостей 2, которые стремятся к прямой линии. Зависимость 3, указанная на рисунке 4.3, имеет примерно одинаковый характер изменения абразивный износа образца № 1 при использовании абразивного материала угля, взятой с экспериментальных исследований на твердом топливе [1]. 1 *? ж * * ч > ¦" В** ^ • ¦II ¦ - ——-. И вГ .— .1.
50 угол а, град.
Масса абразивного материала (кг):
1. электрокорунд (А1203) —0,0003 2- чистящие средства 3. зола твердого топлива: 0,0005 (ореховаякрошка):—в—0.0003 (угля): —в—. 0.0007 —0,0007.
Рисунок 4.3 — Зависимость абразивного износа образца № 1 от угла атаки при различных абразивах.
Из выполненных исследований на экспериментальной установке видно, что.
— максимальный абразивный износ образцов происходит при углах близких к 30° с использованием абразивного материала как электрокорунда (А120з), так и крошки;
— наибольшему абразивному износу подвержен образец № 3, что согласуется с его более низким прочностным качеством в сравнение с образцами № 1и № 2 (таблица 2.2);
— крошка обладает существенно менее абразивными свойствами, чем твердые частицы отработавших газов СОД, работающего на тяжелом топлив, что соответствует её наименьшей твердости по Бринеллю и шкале Мооса (таблица 3.4);
— величина абразивного износа образцов при углах атаки от 5 до 30° составляет с использованием в качестве абразивного материала: электрокорунда (А120з) — 0,3 грамма, а крошки — 0,05граммат.о. интенсивность износа СА турбин при применении сухих очистителей (крошка) в 6 раз меньше;
— при абразиве пониженной твердости (крошка) угол атаки несущественно влияет на износ;
— масса абразивного вещества не существенно влияет на износ.
4.2. Определение коэффициентов определяющих зависимость величины абразивного износа элементов проточной части турбокомпрессоров от физико-механических свойств абразивных материалов и концентрации твердых частиц в отработавших газах судовых среднеоборотных двигателей.
Одним из доминирующих видов износа является воздействие абразивных частиц на поверхностные слои деталей. Поэтому, вопрос о физической сущности протекания этого процесса весьма актуален.
Абразивным износом называют износ деталей в результате их взаимодействия с твердыми частицами, соприкасающимися с поверхностью при наличии относительной скорости. В роли таких частиц выступают:
— неподвижно закрепленные твердые зерна, входящие в контакт по касательной либо под небольшим углом атаки к поверхности детали, например шаржирование посторонними твердыми частицами белых антифрикционных металлов;
— незакрепленные частицы, входящие в контакт с поверхностью детали при транспортировке соответствующими устройствами;
— свободные частицы, пребывающие в зазоре сопряженных деталей;
— свободные абразивные частицы, вовлекаемые в поток жидкостью или газом.
Последний из перечисленных пунктов абразивного износа применим к деталям энергетического оборудования. Эксплуатация судовых СОД на тяжелом топливе приводит к тому, что в продуктах сгорания образуются твердые взвешенные частицы. Эти частицы имеют различные размеры и форму, скорости и физические свойства. Присутствие твердых (абразивных) частиц в движущемся потоке отработавших газов (двухкомпонентная рабочая среда) двигателя при соприкосновении с поверхностью элементов проточной части РОС турбины ТК вызывает их абразивный износ (см. глава 1).
Методы расчеты абразивного износа направляющих и рабочих лопаток газовых турбин летучей золой были впервые и наиболее подробно разработаны в ЦКТИ Алферовым Н. С. [1]. Данные исследования проводились на твердом топливе (уголь) и материалом деталей не соответствующих современным ТК. Эти исследования нужно адаптировать к нынешним условиям эксплуатации газовых турбин современных ТК.
Таким образом, взяв за основу подход Алферова Н. С. и воспользовавшись результатами мною произведенных исследований, предложена полуэмпирическая зависимость абразивного износа элементов ТК судовых СОД: = 0,005Ат2рг С13ф<�тфтфак3А, где: 1-абразивный износ единицы поверхности образца со стороны входа воздуха от ударных действий твердых частиц абразива за время т в мк/мм ;
0,005- экспериментальный коэффициент, компенсирующий недостаточно полный учет особенностей соударения частиц и образцов;
Акоэффициент удельного абразивного износа, учитывающий абразивные л свойства абразива в мк/ммчас [1]- хвремя, в течение которого рассматриваемый материал подвергался воздействию абразивного материала в срг = —- плотность отработавших газов СОД в кг/м3- 8.
Ф^- коэффициент, учитывающий изменение величины абразивного износа в зависимости от износостойкости материала;
С г абсолютная скорость твердых частиц отработавших газах в м/сфакоэффициент, учитывающий изменение абразивного износа от угла встречи абразивного материала с разрушаемой поверхностью (угол атаки) — фшкоэффициент, учитывающий изменение величины абразивного износа в зависимости от размеров и массы абразивак3- концентрация твердых веществ в отработавших газах (кг твердых частиц/ кг. отработавшего газа) — ц при этом: где:
Сщабсолютная скорость частицы абразива при входе на образеци, и е2 + (тг-)2−2 е—соза1г где: а — угол атаки.
Коэффициент удельного абразивного износа, учитывающий абразивные свойства абразива, принят для электрокорунда (А^Оз) А =5,99 мк/ммчас [1].
Коэффициенты ср^, ц>т1, определяются экспериментально.
На разработанной экспериментальной установке был выполнен ряд экспериментов и по результатом построены зависимости абразивного износа образцов от угла атаки, массы абразива, скорости и износостойкости самого материала (рис. 4.1−4.3, см. параграф 4.1).
На рисунке 4.4 представлена сравнительная зависимость относительного абразивного износа образцов (р = от физико-механических и кинематических.
Умакс характеристик твердых частиц для всех образцах. Полученные зависимости позволяют найти коэффициенты, учитывающие изменение величины абразивного износа в зависимости от факторов: массы абразива сртугла атаки фаизносостойкости материала образца (ра (таблица 4.1).
§. 1 f о.
0 а й.
1 °'8? g 0,6.
0,4.
0,2.
0,0003 I1 о, а о, 8.
0,6.
0,4.
0,2 0.
0,0004 у = -0,0002*+ 1,0175.
260 о— f——- ——— — з—- —————. Iу — 62,5х + 0,952.
0,0005.
0,0006.
Масса абразивного материала ш, кг.
А 8 | 1— .- 1.
У = 0,12xJ — 0,1 649×2 + 0.65 643Х+ 0,194 206.
0 15.
Электрокорунд (А1203):
Образец№ 1 Образец№ 2 Образец№ 3 0,0003 А 0.0003×0,0003 0,0005 — 0,0005 — 0.0005.
0.0007 ч 0,0007 ф 0,0007.
Угол атаки а, гр.
30 Крошка:
Образец№ 1 Образец№ 2 Образец№ 3.
Ж 0,0003 • 0,0003 -!- 0,0003 0,0007 ¦ 0,0007 A 0.0007.
Рисунок 4.4 — Зависимость относительного абразивного износа образцов от физико-механических и кинематических характеристик твердых частиц отработавших газов дизеля.
Заключение
.
На основании выполненных исследований абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК сделаны выводы и получены следующие научные и практические результаты:
1. Эксплуатация судовых дизелей на тяжелом топливе приводит к тому, что в продуктах сгорания образуются твердые взвешенные частицы. Эти частицы имеют различные размеры и форму, скорости и физические свойства. Присутствие твердых (абразивных) частиц в движущемся потоке отработавших газов (двухком-понентная рабочая среда) дизеля при соприкосновении с поверхностью деталей проточной части РОС турбины ТК вызывает их повышенный абразивный износ. Характерной особенностью ДГ является то, что основные режимы эксплуатации приходятся на частичные нагрузки (30−60% от номинальной нагрузки). Современные судовые дизеля, в том числе и СОД, в основном работают на тяжелых сортах топлива вязкостью 380 сСт, что, несомненно, приводит к снижению технико-экономических параметров работы, как самого дизеля, так и ТК.
2. Экспериментальное определение состава твердых частиц в отработавших газах выполнено на современном СОД фирмы Уаптаг 6ЕУ18АЬ, работающим на тяжелом топливе 180-Р-К1УЮ 380. Установлено, что.
— при режиме работы СОД на нагрузках от 75% до 90% от номинальной содержание и размеры твердых частиц в отработавших газах дизеля минимальныеэто обусловлено тем, что при такой нагрузке условия сгорания топлива оптимальные;
— при наименьшей нагрузке дизеля 25% от номинальной количество и размер твердых частиц максимальны и достигают 2 мм;
— зафиксированные твердые (абразивные) частицы с помощью специального зонда, входящие в состав отработавших газов СОД, имеют высокую твердость, которая составила более 470НВ.
3. Произведено исследование влияния различных факторов (угла атаки, скорости и массы абразивного материала) на абразивный износ образцов с помощью теории планирования эксперимента. Установлено, что основными значимыми факторами являются угол атаки и скорость движения абразивного материала.
4. Математическая модель абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК позволяет выполнить оценку параметров, влияющих на абразивный износ, твердыми частицами отработавших газов дизеля и учитывает эксплуатационные параметры современных судовых СОД, работающих на тяжелых сортах топлива, и комплекс физико-механических свойств изнашиваемых материалов.
5. Выполнено экспериментальное исследование влияния различных факторов на абразивный износ элементов проточной части РОС турбин ТК судовых СОД на экспериментальной установке. Установлено, что:
— максимальный абразивный износ образцов происходит при углах близких к 30° с использованием абразивного материала как электрокорунда (А120з), так и сухих чистящих средств (крошка);
— сухие чистящие средства (крошка) обладают существенно меньшими абразивными свойствами, чем продукт недожженного топлива (А120з);
— зависимость изменения абразивного износа образцов от углах атаки с использованием в качестве абразивного материала электрокорунда (А120з) имеет ярко выраженный характер по сравнению с сухим чистящим средством (крошка), зависимость которой стремится к прямой линии.
6. Полученные новые значения коэффициентов, учитывающих изменение абразивного износа в зависимости от износостойкости материала от размера абразива и угла атаки — ф^, (р^, Фана основании полуэмпирической зависимости абразивного износа элементов ТК судовых СОД, соответствуют полученным данным математической модели абразивного износа элементов проточной части РОС турбин ТК.
7. Рекомендовано производить конструктивное изменение элементов проточной части РОС турбин ТК судовых СОД, работающих на тяжелом топливе. Установлено, что СА, угол установки лопатки, у которого стремится к 45°, имеет меньший абразивный износ, чем тот, у которого 35°.
8. Рекомендовать применение очистки проточной части с газовой стороны, что приведёт РОС турбин ТК к поддержанию КПД ТК и удельного расхода топлива в заявленных инструкциями значениях с периодичностью 100 часов эксплуатации ДГ.
9. Предложенные и обоснованные рекомендации по изменению углов установки сопловых лопаток и применению очистки проточной части сухими чистящими средствами РОС турбин ТК СОД в настоящее время согласовываются с фирмой изготовителем «MAN Diesel & Turbo» и судоходной компанией ОАО «СКФ — Новошип».
Список сокращений и условных обозначений.
БНА — безлопаточный направляющий аппаратВОД — высокооборотный двигательВУ — входное устройство;
ГМУ имени адмирала Ф. Ф. Ушакова — государственный морской университет имени адмирала Ф. Ф. Ушакова (г. Новороссийск);
ДВС — двигатель внутреннего сгорания;
ДГ — дизель-генератор;
ДУ — дизельная установка;
КПД — коэффициент полезного действия;
МОД — малооборотный двигатель;
PKрабочее колесо;
РОС — радиально-осевая ступень;
CA — сопловый аппарат;
СКФ — Новошип" — открытое акционерное общество «СКФ-Новороссийское морское пароходство»;
СОД — среднеоборотный двигатель;
СПбГМТУ — Санкт-Петербургский государственный морской технический университет;
СЭУ — судовая энергетическая установкаТК — турбокомпрессор;
ЦКТИ — центральный котлотурбинный институт;
ЦНИИ МФ — центральный научно-исследовательский институт морского флотаABB — «Asea Brown Boveri» (Швейцария) — MET — Mitsubishi Exhaust Turbocharger.
