Контроль и регулирование рабочих процессов, измерительные приборы

В процессе эксплуатации двигателя меняются его общее состояние, характер протекающих в нем процессов и, прежде всего, – процессов, составляющих его рабочий цикл. Основные причины:

• Износ элементов ЦПГ и загрязнения рабочих полостей, включая системы охлаждения, воздухоснабжения и газовыхлопа;
• Нарушение состояния и разрегулировка топливовпрыскивающей аппаратуры.

На развитие процессов воспламенения и сгорания топлива также может оказывать изменение его свойств, что также искажает характер рабочего процесса.

Измеряемые параметры

Отмеченные изменения приводят к снижению мощности и эконо­мичности, снижению ресурса и надежности, росту уровней тепловой и механической напряженностиИзменение механической напряженности и, как следствие – преждевременным пов­реждениям. Этим определяется необходимость систематически, не огра­ничиваясь контролем в процессе вахтенного обслуживания, осуществлять более глубокую проверку как общего состояния двигателя, так, в первую очередь, его рабочего процесса. Большинство фирм двигателестроителей рекомендуют такие проверки, сопровождаемые индицированием, прово­дить раз в две недели и данные заносить в журналы техсостояния.

Проверка состояния, его диагностика, осуществляется путем со­поставления отклонений измеренных величин параметров от ранее полученных в процессе сдаточных или ходовых испытаний двигателя. Рекомендуемые значения допустимых отклонений параметров приво­дятся в инструкции по эксплуатации двигателя и заложены в системы автоматического контроля и аварийно-предупредительной сигнализации (СЦК).

К параметрам, подлежащим измерению, в первую очередь относятся:

• Частота вращения двигателя n;
• Среднее индикаторное давление P_i;
• Давление в конце сжатия P_с′;
• Максимальное давление сгорания P_макс′;
• Индекс топливного насоса или положение Т. Р. (топливной рейки);
• Температура выпускных газов за цилиндрами T_вг′;
• Давление P_над и температура надувочного воздуха T_над′;
• Частота вращения ротора ГТК n_тк^..

Перечисленные параметры характеризуют качество протекающих в двигателе рабочих процессов, но, одновременно, они зависят от режи­ма и внешних условий работы. Поскольку диагностировать двигатель рекомендуется на режимах полного хода, то режимный фактор кажется возможным исключить из анализа, что и делается в системах СЦК. Но режимы полного хода в зависимости от загрузки судна, скорости его плавания, волнового и ветрового сопротивления движению, степени обрастания корпуса судна и пр. могут существенно отличаться.

Рекомендуется к прочтению: Индицирование двигателя

Это не­минуемо скажется на точности диагностирования. Поэтому измерения необходимо проводить на близких по нагрузке режимах, либо прибегать к сопоставлению измеренных значений параметров с эталонными, ко­торые вычисляются по полученным ранее уравнениям для технически исправного состояния и с учетом факторов режима и окружающей среды. Последующий анализ основывается на вычислении разности между измеренным и эталонным значениями параметров

$∆{\mathrm{П}}_{\mathrm{сост}}. = {\mathrm{П}}_{\mathrm{иам}.} – {\mathrm{П}}_{\mathrm{эт}.}$

Эта разность называется параметром состояния и в дальнейшем используется в целях определения состояния и причин, которые могли привести к его изменению. В ряде случаев прибегают к оценке изменения параметра состояния во времени и на этой основе прогнозируют его изменение в будущем, чтобы иметь возможность предсказать момент достижения исследуемым компонентом состояния, при котором дальней­шее его функционирование может привести к нежелательным и опасным для двигателя последствиям.

Данные прогноза иногда используют для назначения сроков технического обслуживания и ремонта. Однако, известно, что точность прогнозирования обратно пропорциональна рас­стоянию (времени), на котором осуществляется прогнозирование. Как показали наши исследования, в силу того, что на развитие процессов в двигателе влияет большое число факторов, которые практически невоз­можно учесть, дальнесрочное прогнозирование может оказаться весьма неточным. Поэтому рекомендуется ограничиваться средне-, а лучше, краткосрочным прогнозированием (до 500 часов).

К числу внешних условий, оказывающих влияние на рабочие парамет­ры двигателя, относятся меняющиеся с изменением района плавания и погодных условий значения барометрического давления и температуры окружающего воздуха, температуры забортной воды. Поэтому, прежде чем приступить к сопоставлению измеренных параметров с эталонными, необходимо первые привести к стандартным условиям. Для этого для анализа состояния потребуются измерения:

• Барометрического давления P_atm;
• Температуры воздуха перед фильтрами ГТК – t_вф′;
• Температуры воздуха t_в.охл. и охлаждающей воды t_{вод.охл.} перед и за воздухоохладителем;
• Перепадов давления воздуха на воздушном фильтре – ∆P_вф и в воздухоохладителе ∆P_вохл′.

Желательно также знание:

• Давления и температуры выпускных газов перед ГТК;
• Противодавления газов за ГТК.

Рекомендации фирм и данные стендовых испытаний как правило приводятся к стандартным условиям, рекомендованным Международной Организацией Стандартов (ISO):

• P_o = 0,1 МПа = 750 мм. рт. ст.;
• t_o = 27 °С;
• t_{заб.вод.} = 27 °С;
• φ_вл = 60 %.

Поэтому при отклонении параметров среды от стандартных в резуль­таты измерений параметров двигателя для их последующего сопостав­ления со стендовыми нужно, как уже отмечалось, вносить коррективы. Корректировка осуществляется путем вычисления поправок для давле­ний P_над, P_с, P_макс и температуры выхлопных газов t_вг:

Поправка на измеренное давление надувочного воздуха:

$∆{\mathrm{Р}}_{1\mathrm{над}} = ({\mathrm{t}}_{\mathrm{вф}} – 25)\times 2,856\times 10–4\times (1 + {\mathrm{Р}}_{\mathrm{над}}) \mathrm{МПа};$

$∆{\mathrm{Р}}_{2\mathrm{над}} = ({\mathrm{t}}_{\mathrm{вод}.\mathrm{охл}.\mathrm{вх}} – 25)\times (– 2,220\times 10–4)\times (1 + {\mathrm{Р}}_{\mathrm{над}}) \mathrm{МПа};$

$∆{\mathrm{Р}}_{\mathrm{над}} = ∆{\mathrm{Р}}_{1\mathrm{над}} + ∆{\mathrm{Р}}_{2\mathrm{над}} \mathrm{МПа}.$

В уравнениях:

• P_над – давл. наддувочного воздуха;
• t_вф – температура воздуха перед возд. фильтром;
• t_{вод.охл.вх} – темп. охл. воды на входе в воздухоохладитель.

Поправка на измеренное давление сжатия:

$∆{\mathrm{Р}}_{\mathrm{с}1} = ({\mathrm{t}}_{\mathrm{вф}} – 25)\times 2,954\times 10–4\times (1 + {\mathrm{Р}}_{\mathrm{с}}) \mathrm{МПа};$

$∆{\mathrm{Р}}_{\mathrm{с}2} = ({\mathrm{t}}_{\mathrm{вод}.\mathrm{охл}.\mathrm{вх}} – 25)\times (–1,530\times 10–4) \mathrm{МПа};$

$∆{\mathrm{Р}}_{\mathrm{с}} = ∆{\mathrm{Р}}_{\mathrm{с}1} + ∆{\mathrm{Р}}_{\mathrm{с}2} \mathrm{МПа}.$

Поправка на измеренное максимальное давление сгорания:

$∆{\mathrm{Р}}_{\mathrm{макс}1} = ({\mathrm{t}}_{\mathrm{вф}} – 25)\times 2,198\times 104\times (1 + {\mathrm{Р}}_{\mathrm{макс}}) \mathrm{МПа};$

$∆{\mathrm{Р}}_{\mathrm{макс}2} =({\mathrm{t}}_{\mathrm{вф}} – 25)\times (–0,810\times 10–4)\times (1 + {\mathrm{Р}}_{\mathrm{мак}}\mathrm{с});$

$∆{\mathrm{Р}}_{\mathrm{макс}} = ∆{\mathrm{Р}}_{\mathrm{макс}} + ∆{\mathrm{Р}}_{\mathrm{макс}} \mathrm{МПа}.$

Предлагается к прочтению: Электронные индикаторы

Поправка на измеренную температуру выпускных газов:

$∆{\mathrm{t}}_{\mathrm{вг}1} = ({\mathrm{t}}_{\mathrm{вф}} – 25)\times (–2,466\times 10–4)\times (273 + {\mathrm{t}}_{\mathrm{вг}}) °\mathrm{C} ;$

$∆{\mathrm{t}}_{\mathrm{вг}2} = ({\mathrm{t}}_{\mathrm{вод}.\mathrm{охл}.\mathrm{вх}}– 25)\times (–0,590\times 104)\times (273 + {\mathrm{t}}_{\mathrm{вг}}) °\mathrm{C} ;$

$∆{\mathrm{t}}_{\mathrm{вг}} = ∆{\mathrm{t}}_{\mathrm{вг}1} + ∆{\mathrm{t}}_{\mathrm{вг}2} °\mathrm{C}.$

Удельный расход топлива подсчитывается по результатам изме­рения:

• Объема израсходованного топлива B_измм³, отнесенного к часу работы двигателя;
• Эффективной мощности N_e в кВт.

${\mathrm{g}}_{\mathrm{e}} = {\mathrm{В}}_{\mathrm{изм}} \mathrm{\rho т} / {\mathrm{N}}_{\mathrm{е}} \mathrm{кг}/\mathrm{кВт}. \mathrm{час}$

где:

• ρ_т – плотность топлива при температуре в месте установки рас­ходомера.

Поправка на удельный расход топливаУдельные расходы топлива сводится к пересчету полученного расхода исходя из соотношения теплоты сгорания фак­тической Q_p^Hф к стандартной Q_p^HCT = 42 707 кДж/кг:

${\mathrm{g}}_{\mathrm{e}}{ }_{\mathrm{привед}.} = {\mathrm{g}}_{\mathrm{e} \mathrm{изм}.} {\mathrm{Q}}_{\mathrm{p}}{ }^{\mathrm{н}}{ }_{\mathrm{ф}}/{\mathrm{Q}}_{\mathrm{p}}{ }^{\mathrm{н}}{ }_{\mathrm{ст}} \mathrm{кг}/\mathrm{кВт}.\mathrm{час},$

Фактическая теплота сгорания используемого топлива может быть подсчитана по следующему выражению

${\mathrm{Q}}_{\mathrm{p}}{ }^{\mathrm{н}} = (46,7 – 8,8 {10}^{–6} {{\mathrm{\rho }}^2}_{15} + 3,17 {10}^{–3} {\mathrm{\rho }}_{15})\times [1 – (\mathrm{х} + \mathrm{у} + \mathrm{S}\left)\right] + 9,42 \mathrm{S} – 2,45 \mathrm{ХМДж}/\mathrm{кг}$

В этом выражении: ρ₁₅ плотность топлива при 15 °С в кг/м³; х, у, S массовые доли содержания в топливе воды, золы и серы, выраженные в процентах, деленных на 100.