научная статья по теме ИМПУЛЬСНАЯ ВИБРАЦИЯ СУДОВ, ОБОРУДОВАННЫХ ДИЗЕЛЬНЫМИ УСТАНОВКАМИ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ИМПУЛЬСНАЯ ВИБРАЦИЯ СУДОВ, ОБОРУДОВАННЫХ ДИЗЕЛЬНЫМИ УСТАНОВКАМИ»

СУДОСТРОЕНИЕ 5'2014

СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

Для сравнения были определены нагрузочные характеристики дизеля со штатной камерой сгорания и опытной камерой сгорания третьего поколения при работе на котельном мазуте с содержанием кокса 12,1%. Частота вращения коленчатого вала имеющегося в распоряжении отсека была преднамеренно ограничена только по требованиям безопасности, для предотвращения возможных последствий от неоправданного риска. Других ограничений не предусматривалось.

Из графиков (рис. 2) видно, что в результате процесса кавитации внутри капель тяжелого топлива дым-ность отработавших газов уменьшилась в 1,5—2 раза при сокращении концентрации оксидов азота на 15— 20% и температуры отработавших газов на 5—7°. Сравнение индикаторных диаграмм подтвердило, что максимальное давление сгорания и скорость повышения давления по углу поворота коленчатого вала не повысились. Удельный эффективный расход топлива не увеличился. Это свидетельствует о том, что энергия, затраченная на процесс внутрика-пельной кавитации, компенсировалась сокращением потерь от несвоевременности и неполноты сгорания тяжелого топлива.

Заключение. В результате проведения комплексных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ предложен инновационный способ увеличения скорости и полноты сгорания тяжелого топлива в дизелях. Экспериментально определено, что при кавитации внутри капель тяжелого топлива происхо-

200

т

!.,Х

250

150

х 0

1 1

1 \ 2

N0, ррп

25

50

Р,.%

Рис. 2. Нагрузочные характеристики дизеля Ч 15/18 с камерой сгорания Гессель-мана при частоте вращения коленчатого вала 1200 об/мин:

1 — штатная камера сгорания; 2 — опытная камера сгорания; N —дым-ность отработавших газов по шкале Наг!^де; ЫОх — концентрация оксидов азота; fg — температура отработавших газов

дят процессы крекинга и газификации высокомолекулярных соединений. Сравнительные испытания дизелей с опытной камерой сгорания на мазуте подтвердили эффективность

использования кавитации для улучшения экологических показателей судовых дизелей.

Литература

1. Возницкий И. В. Практика использования морских топлив на судах. СПб., 2006.

2. Мельник Г. В. Тенденции развития двигате-лестроения за рубежом. По материалам конгресса СИМАК 2010//Двигателестроение. 2012. № 2(248).

3. Сполдинг Д. Б. Горение и массообмен. М.: Машиностроение, 1985.

4. Флин Г. Физика акустической кавитации в жидкостях//Физическая акустика. Пер. с англ./Под ред. Л. Д. Розенберга. Ч. 1Б. М.

5. Гуреев А. А., Серегин Е. П., Азеев В. С. Квалификационные методы испытаний нефтяных топлив. М.: Химия, 1984.

6. Юр Г. С. Волновые процессы в судовых дизельных энергетических установках. Новосибирск, 1999.

7. Получение низших олефинов низкотемпературным пиролизом углеводородного сырья/ С. В. Каптерев, Г. С. Юр, Л. П. Послови-на, В. Г. Степанов, К. Г. Ионэ//Химия нефти и газа: материалы IV Международной конференции. В 2-х т. Томск: БТТ, 2000.

8. Третьяков П. К. Организация пульсирующего режима горения в высокоскоростных ПВРД//Физика горения и взрыва. 2012.

Т. 48. № 6.

9. Юр Г. С. Особенности использования режима акустической внутрикапельной кавитации топлива в дизелях//Материалы Международной научно-технической конференции «Двигатель-97». М.: МГТУ, 1997.

10. Васюков Е. С., Чернявский О. А., Обозов А. А. Судовые малооборотные дизели БМЗ-'АИТБИА с электронным управлением типа 11Т-Яех//Судостроение. 2008. № 5.

11. Юр Г. С. Процесс акустической паровой внутрикапельной кавитации и результаты его использования в судовых дизельных энергетических установках//Актуальные проблемы создания и эксплуатации тепловых двигателей в условиях Дальневосточного региона России: материалы Международной научно-технический конференции «Двигатели 2023». Хабаровск, 16—20 сентября 2013 г./под ред.

В. А. Лашко. Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2013.

ИМПУЛЬСНАЯ ВИБРАЦИЯ СУДОВ, ОБОРУДОВАННЫХ ДИЗЕЛЬНЫМИ УСТАНОВКАМИ

В. С. Кудишкин (ОАО «Гипрорыбфлот», е-таП: grf@grf.spb.ru)

УДК 629.5.03-843.6

Разработка импульсной модели вибрации судна была начата под руководством ректора ЛКИ, профессора кафедры строительной механики корабля, докт. техн. наук Дмитрия Михайловича Ростовцева. Однако в силу различных причин при жизни Д. М. Ростовцева эта работа не была завершена. Публикуемую статью по указанной проблеме автор посвящает памяти Д. М. Ростовцева.

В настоящей статье подводятся некоторые итоги специальных исследований вибрации на морских и реч-

ных судах, выполненных в период 1961—2000 гг. За это время был получен обширный теоретический и

экспериментальный материал, обработкой и анализом которого автор занимается до настоящего времени. Натурные испытания проводились по комплексной программе, включавшей испытания в ледовых условиях с целью изучения ледовой вибрации, попутно исследовалась ходовая и дизельная вибрации на чистой воде. Такая методика оправдалась, поскольку на определенных частотах дизельная вибрация накладывается на ледовую и их разделение составляет наиболее сложную часть анализа (рис. 1). Были испытаны арктические морские и речные ледоколы («Петр Пахтусов», «Владивосток», «Капитан Мелехов», «Капитан Чеч-кин», «Капитан Евдокимов»), ледо-

СУДОВЫЕ ЭНШШСШ УСТАНОВКИ судостроение 5^2014

Рис. 1. Эмпирическая кривая спектральной плотности колебаний носовой оконечности корпуса д/э «Обь», полученная по записи датчика вертикальных ускорений при движении судна на полной мощности СУ (4 дизеля) в крупно-мелкобитых заснеженных антарктических льдах (море Космонавтов) со скоростью У = 3...4 уз. Расчетные собственные частоты равны:

I тон - 1,67 Гц; II тон - 3,28 Гц; III тон - 4,88 Гц; IV тон - 6,37 Гц

кольно-транспортные суда категории УЛА (дизель-электроходы «Обь», «Ванкарем» — пр. 550), а также речные теплоходы типа «Волго-Дон» и теплоход «Нева». Все эти суда оборудованы многомашинными силовыми дизельными установками. Несмотря на то, что ледовая и дизельная вибрации имеют различную природу, они вызваны ударными импульсными нагрузками. Ледовая вибрация обусловлена случайными ледовыми нагрузками [1], [2], а дизельная связана с ударными импульсами, возникающими в момент вспышки топлива в цилиндре. Различие состоит в том, что длительность ледового импульса более чем на порядок выше импульса-вспышки. Длительность ледового импульса составляет т = 0,1...1,0 с, дизельного — примерно 0,01 с.

Поскольку частота вызванных колебаний корпуса пропорциональна величине 1/т, то ледовые нагрузки возбуждают низшие тона (практически не выше V), от импульсов-вспышек зарождаются вибрации высших тонов.

Из графика, приведенного на рис. 1, следует, что спектральная

плотность первых трех низших тонов колебаний обусловлена ледовой вибрацией, на IV тоне отмечается наложение ледовой и дизельной вибраций, причем суммарная энергия колебаний IV тона даже выше энергии по I тону ледовой вибрации.

Определение дискретного ряда собственных частот корпуса судна представляет собой сложную техническую задачу. В случае с дизель-электроходом (д/э) «Обь» такая задача решалась в натурных условиях с помощью датчиков смещений, ускорений и напряжений, расположенных в различных точках корпуса судна. Низкочастотные вибрации регистрировались в момент контакта корпуса с отдельно плавающей льдиной, высокочастотные (более 20 Гц) — при освобождении застрявшего во льдах судна взрывами. Иллюстрацией может служить запись двух последова-

тельных подводных взрывов общей массой заряда 16,8 кг, произведенных в трех и десяти метрах от форштевня судна (рис. 2). Зафиксированная при этом датчиком ускорений собственная частота колебаний корпуса составила /21 = 33,8 Гц. Следует отметить, что назначение номера тона колебаний носит условный характер, так как они выбирались по отдельным дискретным значениям спектра.

Вибрация, вызванная различными внешними силами, рассматривается в двух аспектах: ледовая вибрация [3—5] и дизельная импульсная. Решение задачи об импульсной вибрации приводится впервые.

Рассмотрим осциллограмму (рис. 3) записи вибрации д/э «Обь» на чистой воде при работе одного дизеля из четырех (другие остановлены).

На первый взгляд, никакой связи между частотой, вырабатываемой дизелем, и возбуждаемой им общей вибрацией нет. Разложение в ряд Фурье обеих кривых (рис. 4, а, б) показывает, что в структуре спектра дизеля отсутствуют частоты, порождающие колебания низкой частоты, в то время как возбуждаемая ими вибрация корпуса соответствует собственной частоте IV тона /4 = 6,4 Гц. По форме огибающая спектральной кривой (см. рис. 4, а) напоминает резонансную кривую с максимальной амплитудой на одной из собственных частот корпуса. Следовательно, частотная избирательность корпуса зависит от числа импульсов-вспышек дизеля. Указанный парадокс разрешим с энергетической точки зрения.

Запишем дифференциальное уравнение вынужденных колебаний М(х, ^ корпуса как непризматической упругой балки с учетом

Рис. 2. Запись собственных колебаний корпуса д/э «Обь» при действии двойного подводного взрыва в районе носовой оконечности судна

Рис. 3. Запись вибрации д/э «Обь» при движении по чистой воде со скоростью 9 уз. Работает один дизель при частоте вращения лд = 364 об/мин, частота вращения гребного винта пв = 107 об/мин

Датчики смещений установлены: 1 — на верхнем мостике; 2 — на крышке дизеля

судостроение 5 2014 СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕШЕСШ УСТАНОВКИ

сил внутреннего трения в конструкции в виде

1 + е-

3(

3x2

( 32W)

EJ-

Зх2

32W

+ m(x)—— = F(x, t) ,(1) 3d

где 8 — коэффициент внутреннего трения.

F(x, $ — импульсная периодическая функция, которая может быть представлена следующим образом:

F(x, t) = I aikf(t - ,T0]

(2]

d

2

где —

dx2

2 2

EJ-

d 2v dx2

■ an2rn(x)vn = 0 . (3]

a If(t - To)^n(x-)

Qn(t) = ■

(4]

K2(x)dx

0

W(x, t) = Sq>n(t)fln(x) .

n=1

(5)

б)

Здесь функция /(t - jTo) означает единичный импульс, сдвинутый по оси времени на величину jTo с шагом То, ак — амплитуда ударного импульса, вызванного вспышками топлива в цилиндрах.

В общем случае ак может рассматриваться как случайная величина, тогда решение уравнения (

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком