Энергоэффективность систем охлаждения двигателей маломерных судов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.05, кандидат наук Трифонов Алексей Викторович

• Трифонов Алексей Викторович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Трифонов Алексей Викторович

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Нормативное регулирование в области энергоэффективности

судов

1.2. Потери энергии в дизельном двигателе

1.3. Анализ способов регулирования работы систем

охлаждения судовых энергетических установок

1.4. Выводы по главе

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ НАВЕШЕННЫХ НАСОСОВ ЗАБОРТНОЙ ВОДЫ

2.1. Состояние проблемы

2.2. Регулировка подачи изменением профиля лопаток насоса механизмом поворота

2.3. Регулировка подачи изменением профиля лопаток насоса из материала с эффектом памяти формы

2.4. Установка в привод управляемого устройства для изменения частоты вращения насоса

2.5. Замкнутые системы охлаждения

2.6. Выводы по главе

3. ВЫБОР УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ МОЩНОСТИ С ПЛАВНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

3.1. Классификация приводных устройств для изменения частоты вращения

3.2. Электронно-управляемый вариатор

3.3. Электромагнитная муфта

3.4. Вязкостная муфта

3.5. Гидровариатор

3.6. Экспериментальный стенд для определения гидромеханических показателей работы вихревого насоса

3.7. Выводы по главе

4. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ВИХРЕВОГО НАСОСА

4.1. Анализ главных двигателей судов Волго-Каспийского района с навешенными насосами системы охлаждения

4.2. Исследовательские испытания на судне РК-2091

4.3. Результаты испытаний на экспериментальном стенде

4.4. Ожидаемый экономический эффект при установке вариатора на насос системы охлаждения главного двигателя

4.5. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Анализ крутильных колебаний экспериментального

стенда с вариатором на частоте вращения 1 400 об/мин

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Расчёт крутильных колебаний судна РК-2091

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Акты об использовании результатов

диссертационной работы

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Измерение вибрации на экспериментальном

стенде

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Результаты измерений гидромеханических параметров на экспериментальном стенде

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Энергоэффективность систем охлаждения двигателей маломерных судов»

Актуальность темы исследования.

На текущий момент в России стратегия повышения уровня энергосбережения и энергоэффективности является одним из ключевых направлений развития. Основные положения энергетической политики государства изложены в Федеральном законе № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 23 ноября 2009 г. и в «Энергетической стратегии России на период до 2030 г.».

С 2013 г. введены поправки к Приложению VI Международной конвенции МАРПОЛ, которые касаются сокращения выбросов парниковых газов судовых двигателей. Таким образом, международное сообщество простимулировало судовладельцев заниматься проблемой энергетической эффективности.

Наиболее распространённые двухконтурные системы охлаждения судовых двигателей внутреннего сгорания (СДВС) имеют существенный недостаток - они неэффективны с точки зрения использования забортной воды как теплоносителя, т. к. при регулировании теплового состояния насос работает всегда с максимальной подачей при работе двигателя.

Системы охлаждения судов наносят экологический урон биологическим ресурсам водоёмов. Вода из акватории всасывается и прокачивается через фильтры, теплообменники, арматуру и сливается за борт. Содержащиеся в воде разнородные мелкие организмы, проходя через элементы системы охлаждения под воздействием теплового и механического факторов, погибают или существенно повреждаются [9].

Частично решает проблему внедряемая технология установки частотных преобразователей для автономных электронасосов систем охлаждения судовых двигателей. Но для насосов, имеющих механический

привод от судового двигателя, ситуация на рынке характеризуется отсутствием подобных предложений.

На обеспечение работы насоса двигатель затрачивает дополнительную мощность и сжигает лишнее топливо. Для повышения энергетической эффективности систем охлаждения судовых двигателей следует эксплуатировать насосы этих систем на режиме, при котором насос потребляем минимальную мощность.

В настоящее время, в качестве главных двигателей от 60 до 300 кВт для судов вводятся в эксплуатацию новые типы дизелей. В частности, двигатели автотракторных машин и тепловозные двигатели. На таких двигателях мощность навешенного насоса забортной воды может достигать 3% от эффективной мощности главного двигателя.

Исходя из районов плавания и условий эксплуатации, необходимо регулировать подачу насоса при изменении температуры забортной воды, обеспечивая отвод необходимого количества теплоты.

Таким образом, можно реализовать схему, в которой изменение расхода забортной воды через водоводяной теплообменник будет обеспечивать рациональное охлаждение на различных режимах работы СДВС и в различных климатических условиях, а также добиться при этом снижения расхода топлива СДВС.

Степень разработанности темы.

Методы регулирования в системах охлаждения судовых энергетических установок рассматривают в своих работах О. К. Безюков, В. А. Жуков, В. Н. Тимофеев, К. Ю. Федоровский, О. Г. Несиоловский, Caglar Dere (Турция), Jun Yuan (Китай), Rafic Younes (Франция), Michael Hansen (Дания). Исследованиями в области частотного регулирования судовых автономных насосов системы охлаждения СДВС занимаются Danfoss A/S (Дания), Grundfos (Дания), ABB (Швеция). Снижением мощности навешенных агрегатов системы охлаждения автотракторных двигателей занимается BorgWarner (США).

Связь диссертации с научными программами, планами, темами.

Диссертация выполнена в соответствии с «Энергетической стратегией России на период до 2030 г.», утверждённой распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р; «Морской доктриной Российской Федерации на период до 2020 г.», утверждённой Президентом Российской Федерации от 27 июля 2001 г. № 1387.

Диссертация включает в себя результаты исследований, которые были полученны при выполнении государственных бюджетных научно-исследовательских работ в рамках научно-исследовательской лаборатории «Ретрофит технологий на транспорте»:

- «Энергоэффективные технологии и логистика на водном транспорте», номер государственной регистрации НИОКТР 115030310029 от 03.03.15, участие как исполнитель;

- «Интеллектуальные транспортные системы: энергоэффективность, экология, логистика», номер государственной регистрации НИОКТР АААА-А16-116031610012-8 от 16.03.16, участие как исполнитель;

- «Транспортная энергетика и интеллектуальные транспортно-логистические системы», номер государственной регистрации НИОКТР АААА-А17-117042510062-9 от 25.04.17, участие как исполнитель.

- «Судовая энергетика и морские надводные роботизированные системы», номер государственной регистрации НИОКТР АААА-А18-118031290040-9 от 12.03.18, участие как исполнитель.

Цель.

Повышение энергетической эффективности системы охлаждения двигателей маломерных судов за счёт регулирования подачи навешенного насоса забортной воды СДВС в зависимости от температуры забортной воды и теплового состояния двигателя.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- проведён анализ научных, нормативно-технических и литературных источников области повышения энергоэффективности судовых энергетических установок и их элементов;

- изучены планы управления энергоэффективностью различных типов эксплуатирующихся судов;

- создан экспериментальный стенд, моделирующий систему охлаждения судового двигателя, и проведены исследования энергопотребления насоса забортной воды при регулировании его производительности;

- определён наиболее энергоэффективный способ регулирования навешенного насоса забортной воды системы охлаждения СДВС;

- проведены экспериментальные исследования системы охлаждения судового дизеля на различных режимах работы в реальных условиях эксплуатации судна для уточнения доли мощности, потребляемой насосом забортной воды.

Объект исследования - системы охлаждения маломерных судов с двигателями, имеющими навешенные насосы забортной воды.

Предмет исследования - методы и средства регулирования расхода подаваемой жидкости насосом забортной воды в зависимости от её температуры.

Научная новизна.

1. Предложена схема регулирования теплового состояния СДВС изменением частоты вращения навешенных насосов забортной воды.

2. Уточнены функциональные зависимости между гидравлическими параметрами вихревого насоса забортной воды и частотой вращения его рабочего колеса.

3. Разработан экспериментальный стенд, позволяющий испытывать водяной насос системы охлаждения путем воспроизведения частоты вращения приводного вала, температуры, давления и расхода воды, измерения указанных параметров.

Теоретическая и практическая значимость.

1 . Предложена методика по расчёту рентабельности установки в привод СДВС вариатора.

2. Уточнены эмпирические зависимости основных параметров вихревого насоса при изменении частоты вращения рабочего колеса.

3. Разработан экспериментальный стенд, который позволяет проводить испытания водяных насосов системы охлаждения СДВС путем воспроизведения частоты вращения приводного вала, температуры и давления воды, измерения указанных параметров.

Методы исследования.

При проведении исследований и решении задач в диссертации применялись теоретические и экспериментальные методы исследований: метод формализации при математическом описании режимов работы насоса, обработка полученных результатов методами математической статистики и регрессионного анализа, эксперимент и метод моделирования при разработке экспериментального стенда.

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты экспериментальных исследований по испытанию судовых насосов системы охлаждения двигателя.

2. Способ регулирования теплового состояния судового двигателя за счёт изменения частоты вращения насоса забортной воды вариатором с электронным управлением.

Достоверность и обоснованность защищаемых научных положений:

- изучение утверждённой судовой документации с действующих судов различных типов;

- применение общепринятых законов гидромеханики;

- применение современных средств измерения, имеющих свидетельства об утверждении типа средств измерений, свидетельства о

поверке и свидетельства о типовом одобрении международной ассоциации классификационных обществ;

- сходимостью результатов экспериментальных исследований с доверительной вероятностью равной 0,95;

- применение лицензионных современных программ для проведения расчётных и экспериментальных исследований (SCADA SIMP Light, OWEN Logic, Универсальный просмотрщик «Взлёт»).

Апробация результатов исследований.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на Международной научно-техническая конференция «8-е Луканинские чтения. Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса» (ФГБОУ ВО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет», г. Москва, 2019 г.); на открытом интервальном отборе проектов для Национальной технологической инициативы Маринет АО «Российская венчурная компания» (г. Астрахань 2019); на заседании научно-промышленного совета при Губернаторе Астраханской области (г. Астрахань, 2018 г.); на финале конкурса «УМНИК» по направлению «Новые приборы и аппаратные комплексы» («Каспийский институт морского и речного транспорта» филиал ФГБОУ ВО «Волжский государственный университет водного транспорта», г. Астрахань, 2017 г.) - получен диплом победителя программы «УМНИК»; на международном конкурсе инновационных проектов молодых учёных

«UL-INNOVO» (ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный аграрный университет», г. Ульяновск, 2017 г.); на Всероссийской междисциплинарной научной конференции «Наука и практика - 2017» (ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет», г. Астрахань, 2017 г.); на V международной научно-практической конференции «Инновационное развитие транспортно-логистического комплекса Прикаспийского региона» (ФГБОУ ВО «Волжский государственный университет водного транспорта», г. Астрахань, 2016 г.); на заседаниях

кафедры «Эксплуатация водного транспорта» и заседаниях совета Института морских технологий, энергетики и транспорта (ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет», г. Астрахань 2014-2018 гг.).

Результаты исследований отражены в выпускных квалификацонных работах студентов специальности 26.05.06 «Эксплуатация судовых энергетических установок». В приложении В приведены акты об использовании результатов диссертационной работы.

По результатам исследовательских испытаний даны рекомендации по повышению энергоэффективности двигателя 6ЧСП15/18 судна РК-2091, принадлежащего ФБОУ ВО АГТУ, модернизацией системы охлаждения установкой в привод навешенного насоса забортной воды устройства для регулирования частоты вращения.

Разработанный экспериментальный стенд используется в практических и лабораторных занятиях по дисциплине «Эксплуатация судовых вспомогательных механизмов, систем и устройств» для студентов специальности 26.05.06 «Эксплуатация судовых энергетических установок». При выполнении лабораторных работ на стенде студенты приобретают компетенции в соответствии с таблицами А-Ш/1 Международной конвенции ПДНВ.

Личный вклад соискателя.

Постановка задач исследования; обоснование актуальности работы; участие в апробации результатов исследования; разработка ключевых элементов экспериментального стенда; проектирование и монтаж экспериментального стенда; проведение экспериментальных исследований; обработка и анализ полученных результатов работы.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, 4 из которых в изданиях, входящих в международные базы данных и системы цитирования, 1 в научном издании, входящем в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные

результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, получены 4 патента на полезную модель, приравненные к публикациям в научных изданиях, входящих в Перечень рецензируемых научных изданий, 5 публикаций в сборниках трудов российских и международных конференций и научных трудов высших учебных заведений, 2 публикации в других изданиях.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, изложена на 138 страницах текста, содержит 59 рисунков, 34 таблицы, список литературы из 88 наименований, 5 приложений.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Нормативное регулирование в области энергоэффективности судов

Новые поправки, введённые с 2013 года в Приложении VI Международной конвенции МАРПОЛ, содержат два основных требования:

1. Для новых судов валовой вместимостью 400 и более регистровых тонн должны быть определены требуемый и допустимый конструктивные коэффициенты энергетической эффективности (EEDI, ККЭЭ).

2. На каждом новом или существующем судне валовой вместимостью 400 и более регистровых тонн должен иметься и выполняться план управления энергоэффективностью судна ^ЕЕМР, ПУЭС).

Конструктивный коэффициент энергетической эффективности для судна ББВ1 - отношение количества произведённого парникового газа С02 к величине транспортной работы судна за определённый период времени (рейс, год и т. д.):

ЕЕИ1 ~ (МтэРпроет'с^ гмасса со2-1

Апр о е кт 1 Т-М ИЛ Ю - , ( .)

где - проектное потребление топлива всеми судовыми

потребителями энергии, кг топлива за единицу времени (час, рейс, год и т. п.); А пр о е кт - проектная и действительная произведённая работа судна, ткм за этот же период времени; Ср - безразмерный конверсионный фактор приведения расхода топлива к выбросам СО2, кг СО2/кг топлива.

Числитель формулы характеризует массу выбросов СО2 (кг), знаменатель - транспортную работу (т ■ миля).

Резерв по повышении энергетической эффективности судового двигателя можно найти в снижении мощности навешенных вспомогательных механизмов. В работе [12] отмечено, что доля потребляемой насосом

забортной воды мощности от эффективной мощности главного двигателя находится в диапазоне 1% -2%.

Способ энергосбережения за счёт уменьшения потребления насоса системы охлаждения судового двигателя не учитывается методикой ИМО по расчёту EEDI.

ПУЭС имеет четыре обязательных раздела: планирование, осуществление, мониторинг, а также самооценка и усовершенствование.

Были рассмотрены ПУЭС около 70 судов различного назначения российских и некоторых иностранных судоходных компаний (таблица 1.1). В рассмотренных документах такая структура сохранена, но при этом недостаточно раскрыты разделы касательно планирования и мониторинга.

Таблица 1.1. Перечень ПУЭС судов рассмотренных в работе

№ Название ИМО №

1 ВТС - 1 8811649

2 0МСКИИ-207 9132363

3 АКТАУ 9344459

4 SIRVAN 7912173

5 ИЗЫСКАТЕЛЬ -2 8721820

6 НЕПТУН 9590010

7 BUE CHU 9358333

8 BUE ILI 9358345

9 DMS 2000 9208318

10 TULPAR 9263083

11 СИБИР СКИИ-2101 8862284

12 ANDOQA 8119118

13 AZERBAIJAN 9252979

14 CM. SUPPORTER 7392634

15 CMS SEMA 9066057

16 ALI AMIROV 7509093

17 DBA AZERBAIJAN 7604374

18 HANJIN ALGECIRAS 9443047

19 M/V STANFORD SEAL 9492983

20 АЛЕКСАНДР ШЕМАГИН 9612909

21 SABIT ORUJOV 8128171

№ Название ИМО №

22 SAFMARINE SAHEL 9539365

23 АКАДЕМИК ТОФИК ИЗМАИЛОВ 8521048

24 АРМАН 1 8872590

25 АРМАН 2 8862923

26 БУКСИР ОТ-2445 «БИЗОН» 8685947

27 ВЕПРЬ 8892021

28 ВИКИНГ 7511527

29 ВКС ISRAFIL HUSEYNOV 8705125

30 ВЛАДИМИР РУСАНОВ 9056868

31 ВФ ТАНКЕР-12 9645011

32 ГРИГОРИИ БУГРОВ 8848628

33 AVIOR 8844139

34 TMI-6 -

35 СКУЛЬПТОР ТОМСКИИ 8402204

36 ГЕЛИОС 8711916

37 АКАДЕМИК ФЕДОРОВ 8519837

38 CAUCAUSUS 9224441

39 МЕХАНИК ЯРЦЕВ 8904367

40 ЗАРИФА АЛИЕВА 9234642

41 STRAIGHTVIEW 5029836

42 FLINTERMAAS 9180877

43 КОМПОЗИТОР РАХМАНИНОВ 8606616

44 ATAMOGLAN KERIMOV 8613750

45 МЕХАНИК ХАРИТОНОВ 9630975

46 СТАВРОПОЛЬЕ 8230522

47 СУРГУТ 9119361

48 ETIM EMIN 8700010

49 ЭПРОН 8135007

50 ADALYAT GYULMAMEDOV 8857502

51 SHOLLAR 7427180

52 M/V «JURA» 9319624

53 FLINTERBAY 9279434

54 VAGIF JAFAROV 8207214

55 ZULFI HAJIYEV 7912161

56 ATLET-5 8507418

57 AZOV CONCORD 9387748

58 РОСТОВ ВЕЛИКИИ 9289001

59 FLINTERDIJK 9215658

60 CASPIAN PROVIDER 9495284

№ Название ИМО №

61 USEYIR HAJIBEYLI 9528146

62 ВОЛГА-35 9133197

63 КАЛЛИОПЕ 9540302

64 AS CALIFORNIA 9342695

65 СУЗДАЛЬ 9288992

66 SEA PRINCESS 9628025

67 ISRAFIL HUSEYNOV 8705125

68 FLINTER ALAND 9504140

69 ПАВЕЛ ЮДИН 9612911

70 ЮЛИИ МАКАРЕНКОВ 9612923

71 ВФ ТАНКЕР-9 9640578

Планирование является наиболее важным этапом ПУЭС потому, что определяет как текущее состояние энергопотребления судна, так и предполагаемое повышение его энергоэффективности.

В ПУЭС перечисленных судов планированию не уделено достаточное внимание.

В рассмотренных ПУЭС практически без изменений перечислены меры повышения энергоэффективности из Руководства по разработке ПУЭС, которое разработала Международная морская организация.

По рассмотренным планам были также сделаны следующие выводы:

- при составлении планов преобладает формальный подход к их содержимому;

- перечисленные мероприятия не имеют никакого подробного рассмотрения и никак не обоснованы ни с технической, ни с экономической точки зрения;

- складывается впечатление, что ПУЭС делается не для достижения реальных целей, а для отчёта перед контролирующими органами;

- из предыдущего пункта вытекает, что в ПУЭС вообще нет привязки к конкретному судну.

Это означает, что как инструмент, направленный на повышение энергоэффективности и уменьшение выбросов углекислого газа с судов, ПУЭС имеет определённые недостатки [60].

Резерв для повышения энергоэффективности можно найти в экономичном регулировании систем судовых энергетических установок (СЭУ). Для повышения объективности ПУЭС рекомендуется включать в них перечень мероприятий касающихся модернизации систем охлаждения.

Направление повышения энергоэффективности актуально также и для маломерных судов. Целесообразно на двигателях малой мощности отрабатывать технологии по энергосбережению.

1.2. Потери энергии в дизельном двигателе

Двигатель внутреннего сгорания является тепловой машиной, в которой тепловая энергия сгорания топлива преобразуется в полезную механическую работу (эффективную работу). Располагаемую теплоту, выделяющуюся при сжигании топлива, двигатель преобразовывает в эффективную работу только частично (35-50 %), остальное составляют потери.

Все потери энергии при работе дизельного двигателя можно разделить на две большие группы: механические потери и тепловые потери [67].

Тепловые потери учитывает индикаторный КПД. К тепловым потерям в дизельных двигателях относят:

- потери в охлаждающую среду;

- потери с выпускными газами;

- неучтённые потери (потери от лучеиспускания в окружающую среду; потери от химического недожога топлива; потери от механического недожога топлива).

К механическим потерям в дизельных двигателях относят:

- потери на трение в сопряженных парах деталей;

- потери на совершение насосных ходов поршня;

- потери на преодоление трения между движущимися деталями и воздухом;

- потери на привод вспомогательных механизмов двигателя. Примерные значения эффективной работы и потерь энергии для

различных типов современных дизельных двигателей приведены в таблица 1.2.

Таблица 1.2. Потери энергии и эффективная работа дизельных двигателей

Тип Потери энергии и эффективная работа двигателей, %

Потери с охлаждающей средой Потери с уходящими газами Неучтённые и механические потери Эффективная работа

МОД 14 - 17 28 - 32 2 - 8 45 - 50

СОД 14 - 20 30 - 35 2 - 10 40 - 46

ВОД 14 - 22 32 - 40 2 - 15 35 - 40

На маломерных судах применяются, как правило, высокооборотные двигатели, которые имеют более высокое значение механических потерь.

Одним из возможных путей улучшения характеристик СДВС является уменьшение уровня механических потерь, что позволит позволяющие повысить топливную экономичность [64], [25].

Потери на привод масляного, водяного и топливного насосов и вспомогательного механизма можно определить при проведении испытаний агрегатов на безмоторных стендах.

Насосы системы охлаждения судна могут быть автономными (с электроприводом) и неавтономными (с приводом от коленчатого вала).

В судовых автономных системах охлаждения обычно применяются циркуляционные электронасосы: центробежные, несамовсасывающие, горизонтальные (НЦГ) и вертикальные (НЦВ), нормальной быстроходности.

В неавтономных системах охлаждения используются самовсасывающие и несамосасывающие насосы - вихревые или центробежные.

Центробежные насосы имеют высокий КПД. Их недостатком является неспособность к самовсасыванию, поэтому центробежные насосы используют, как правило, для внутреннего контура системы охлаждения.

Вихревые насосы имеют свойство самовсасывания, поэтому их применяют в контуре забортной воды.

Исходной величиной для расчёта элементов системы охлаждения является количество теплоты, которое необходимо отвести охлаждающей жидкостью от двигателя:

£ = апвдеМЛ», кДж, (1.2)

где апв = 0,16-0,25 - доля теплоты, отводимой пресной водой от всего количества теплоты, выделившегося при сгорании топлива; де - удельный эффективный расход топлива в двигателе, кг/(кВт ч); Ые - эффективная номинальная мощность дизеля, кВт; Qp - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг.

Спецификационная подача насоса пресной воды:

Wп = к± апв3е"е(, кг/ч. (1.3)

'-ПВ^'-п

Для расчёта подачи насоса забортной воды для системы охлаждения применяется формула:

Wз = к2---, кг/ч, (1.4)

где кг = 1,2-1,3; к2 = 1,1-1,2 коэффициенты запаса подачи; спв, сзв -теплоёмкости забортной и пресной воды кДж/(кгК); Д^:зв = 10-15 - подогрев

забортной воды, °С; Л = 10-15 - подогрев пресной воды, °С; (^ -количество теплоты, воспринятое водой в /-ом элементе системы (маслоохладителе, воздухоохладителе).

Температура забортной воды принимается в зависимости от района плавания судна и его типа. Для судов неограниченного района плавания она составляет 32 °С. Расчётная температура на выходе во избежание отложения солей не должна превышать 40-45°С.

Насосы для системы охлаждения подбираются с запасом по мощности и для работы с максимальной температурой забортной воды. Поэтому исследование энергоэффективного регулирования подачи насосных установок является актуальным вопросом.

Согласно РД31.03.41-90 [65] формула № 31, мощность, потребляемая навешенными на главный двигатель насосами охлаждающей забортной воды, может быть рассчитана по формуле:

ЛР0 ±8 = 0,0 046Л/, кВт , (1.5)

где N - эффективная мощность главного двигателя, кВт.

В настоящее время в качестве главных двигателей от 60 до 300 кВт для судов вводятся в эксплуатацию новые типы дизелей. В частности, двигатели автотракторных машин и тепловозные двигатели. На таких двигателях мощность навешенного насоса забортной воды может достигать 3 % от эффективной мощности главного двигателя [66].

Таким образом, за счёт применения энергоэффективного регулирования насоса забортной воды системы охлаждения можно уменьшить расход топлива и, соответственно, выбросов С02 не более чем на 3 % для СДВС.

1.3. Анализ способов регулирования работы систем охлаждения судовых энергетических установок

Детали двигателя нагреваются при его работе из-за контакта с горячими газами и из-за трения. Конструкторами ограничивается максимальная температура деталей исходя из прочностных свойств материалов, способности смазочного масла сохранять несущую и смазывающую способность и надёжности работы узлов.

Для отведения лишнего количества теплоты и поддержание температуры деталей в определённом диапазоне двигатель должен охлаждаться.

Система охлаждения двигателя предназначена для охлаждения рабочих цилиндров, крышек цилиндров, корпусов выпускных клапанов и выпускных коллекторов, а также холодильников масла, холодильников пресной воды и холодильников воздуха двигателей с наддувом.

Система охлаждения судового двигателя может быть проточной и замкнутой (циркуляционной). В проточной системе охлаждения в полости охлаждения двигателя поступает забортная вода, которая после нагрева сливается за борт. Забортная речная вода может иметь значительную жёсткость и высокую степень загрязнённости, а морская вода является агрессивной средой, вызывающей коррозию. Поэтому для охлаждения непосредственно деталей двигателя применяют промежуточный теплоноситель пресную воду.

Регулирование подачи теплоносителя в системе охлаждения необходимо в связи с изменением режимов работы СДВС. Соблюдение заданного температурного режима работающего дизеля достигается поддержанием определённой температуры отходящих от него охлаждающей воды и масла.

Регулирование теплового состояния двигателя производится одним из двух способов: дросселированием и байпасированием (перепуском, обводом) охлаждающей среды.

Регулирование производительности насоса подразумевает под собой изменение основных параметров: расхода жидкости (0 и напора (Я); при этом меняются значения мощности (Ы) и коэффициента полезного действия

Байпасирование - при этом способе регулирования часть жидкости из напорного трубопровода перепускается во всасывающую часть насоса.

На рисунке 1.1 показан график зависимости напора от расхода при регулировании обводом.

(Л).

н

в

о,

Рисунок 1.1. Регулирование обводом

Точка А±, в которой пересекаются характеристика насоса и системы является рабочей точкой. При открытии обводного клапана добавляется вторая характеристика системы Я2. Складывая характеристики и Я2,

получается другая рабочая точка , где напор уменьшится, а расход жидкости увеличится.

Проведя прямую через точку , параллельную оси абсцисс, на характеристике системы мы получим точку , в которой и будет определён истинный расход жидкости :

( ; = с 2-^м з/ ч, (1.6)

где ц — расход жидкости через обводной трубопровод, м з/ ч; ( 2 — расход жидкости в точке м ч.

При понижении температуры охлаждающей воды, выходящей из двигателя, ниже установленного предела регуляторы температуры увеличивают расход воды, идущей мимо теплообменников по обводным трубопроводам, уменьшая её расход через теплообменник. При повышении температуры охлаждающей воды регулятор производит обратное изменение расходов воды через теплообменник и обводной трубопровод. Недостаток обвода в том, что при регулировании расхода жидкости потребляемая насосом мощность практически не изменяется.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Трифонов Алексей Викторович, 2020 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ложкин, В. Н. Комплексное совершенствование рабочих процессов дизелей для улучшения экономических и экологических характеристик / В. Н. Ложкин, Р. Н. Сафиуллин, М. А. Шнайдер // Двигателестроение. - 2006. - № 3. - С. 43-47.

2. Егоров, Г. В. Энергоэффективность судов смешанного плавания нового поколения / Г. В. Егоров, Д. В. Колесник // Мор. вест. - 2012. - № 4(44). - С. 97-103.

3. GRUNDFOS поможет судовладельцам экономить до полумиллиона долларов на каждом корабле : [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ru.grundfos.com/about-us/news-and-press/news/marina-economy.html. - Загл. с экрана.

4. Dampskibsselskabet NORDEN A/S saves energy on seawater pumps with frequency converters : [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.danfoss.com/NR/rdonlyres/D4FE392A-EE30-4BAB-S265-3ABBF48AA021/0/DSNordenDKDDPC206A102.pdf.-Загл. с экрана.

5. Drive solutions for Marine & Offshore : [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www2. solar. dk/Download/danfoss_marine_seminar_2014/. - Загл. сэкрана.

6. Трифонов, А. В. Анализ способов повышения энергоэффективности насосов систем охлаждения судовых двигателей / А. В. Трифонов, М. Н. Покусаев. - Новосибирск : Наука, Научные проблемы транспорта Дальнего востока и Сибири. - 201S. - № 1- С. 122-126.

7. Пат. 178531 Российская Федерация, МПК F04D 29/22 F04D 15/00 F04D 29/02 Рабочее колесо свободновихревого насоса / М. Н. Покусаев, А. В.Трифонов, Хоанг Хонг Нгок; заявитель и патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Астраханский государственный технический университет» - № 2017125597; заявл. 17.07.2012; опубл 06.04.2018, Бюл. № 10. 2 с.

8. Пат. 179501 Российская Федерация, МПК F04D 29/22 F04D 15/00 Механизм поворота лопаток рабочего колеса свободновихревого насоса / М. Н. Покусаев, А. В. Трифонов, Н. В. Калашников; заявитель и патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Астраханский государственный технический университет» - № 2017125822; заявл. 18.07.2012; опубл 16.05.2018, Бюл. № 14. 2 с.

9. Федоровский, К. Ю. Замкнутые системы охлаждения судовых энергетических установок / К. Ю. Федоровский. М. : Вузовский учебник; ИНФРА-М. 2017. - 164 с.

10. Безюков, О. К. Охлаждение транспортных двигателей внутреннего сгорания : монография. СПб. : ГУМРФ им. адмирала С. О. Макарова, 2015. - 272 с.

11. Жуков, В. А. Перспективы совершенствования систем охлаждения судовых дизелей. Вестн. государственного университета морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова. - 2015. - № 4 (32). -С. 131-137.

12. Шурпяк, В. К. Учёт особенностей систем охлаждения при оценке энергетической эффективности судов // Научно-техн. сб. Российского морского регистра судоходства. - Вып. 37. - 2014. - С. 51-55.

13. Несиоловский, О. Г. Тенденции развития конструкций приводов агрегатов системы охлаждения современных автотракторных ДВС / О. Г. Несиоловский, Е. А. Виноградов // История и перспективы развития транспорта на севере России. - 2013. - № 1. - С. 148-153.

14. Лезнов, Б. С. Частотно-регулируемый электропривод насосных установок. М. : Машиностроение, 2013. - 176 с.

15. Насосы вихревые типов ВК, ВКС, ВКО и агрегаты электронасосные на их основе. Руководство по эксплуатации Н48.547.01.000 РЭ. - 72 с.

16. Судовые двигатели внутреннего сгорания: учеб. для студ. Вузов / Ю. Я. Фомин [и др.]. Л. : Судостроение, 1989. - 343 с.

17. Ермаков, В. Ф.Экономичность работы судовых дизелей. - М. : Транспорт, 1982. - 160с. - [ЭТЭ. Экономия топлива и электроэнергии]

18. Труды международного научно-технического семинара "Исследование, проектирование и эксплуатация судовых ДВС", 29 мая 2006 г. / Федер. агентство мор. и реч. транспорта, С.-Петерб. гос. ун-т вод. коммуникаций ; [под общ. ред. О. К. Безюкова] / Федер. агентство мор. и реч. транспорта, С.-Петерб. гос. ун-т вод. коммуникаций; СПб. : ПаркКом, 2006. -266 с.

19. Самсонов, В. И. Судовые двигатели внутреннего сгорания : учеб. для вузов / В. И. Самсонов, Н. И. Худов, А. А. Мирющенко. М. : Транспорт, 1981. - 400 с.

20. ГОСТ 6134-2007 Насосы динамические. Методы испытаний. М. : Стандартинформ, 2008. - 212 с.

21. Стандартные решения «Данфосс» Экономия электроэнергии, сокращение капитальных затрат и увеличение срока службы : [Электронный ресурс]. Режим доступа http://www.privodplus.ru/files/uploads/pdf/chastotnie-preobrazovateli/Standartniye-resheniya-Danfoss.pdf. - Загл. с экрана.

22. Безюков, О. К. Охлаждение транспортных двигателей внутреннего сгорания : монография / О. К. Безюков. СПб: ГУМРФ им. адмирала С. О. Макарова, 2015. - 272 с.

23. Бледнова, Ж. М. Роль сплавов с эффектом памяти формы в современном машиностроении. Научно-образовательный курс / Ж. М. Бледнова, М. А. Степаненко. Краснодар : Кубанский гос. технологический ун-т, 2012. - 69 с.

24. Розман, Я. Б. Устройство, наладка и эксплуатация электроприводов металлорежущих станков / Я. Б. Розман, Б. З. Брейтер. М. : Машиностроение, 1985. - 208 с.: ил.

25. Шуаипов, А. А. [и др.]. Методология расчётного и экспериментального исследования внутренних потерь в судовом дизеле / А. А. Шуаипов, А. Ф. Дорохов, К. К. Колосов, А. П. Будников // Вестн. АГТУ. Сер. Морская техника и технология. 2012. № 2. С. 99-108.

26. Ivanov, K. S. Toothed continuously variable transmission (CVT) -industrial realization. - New Trends in Mechanism and Machine Science. Theory and Applications in Engineering / K. S. Ivanov, B. Tultaev // Mechasnism and Machine Science. V. 7. Springer. ISSN 2211-0984. 2013. - P. 329-335.

27. Руководство 2012 года по разработке плана управления энергоэффективностью судна (ПУЭС). — СПб.: ЗАО ЦНИИМФ, 2012. — 39 с.

28. Приложение VI к МАРПОЛ 73/78. Правила предотвращения загрязнения атмосферы с судов. - СПб, 2004. - 80 с.

29. Федоровский, К. Ю., Анализ эффективности замкнутых систем охлаждения энергетических установок судов / К. Ю. Федоровский, В. В. Ениватов. Николаев : Енергетика, 2013. - № 5-6. - С. 4-8.

30. Федоровский, К. Ю. Экологически безопасные замкнутые системы охлаждения судовых энергоустановок / К. Ю. Федоровский, Н. К. Федоровская // В сб. Актуальные вопросы проектирования, постройки и эксплуатации морских судов и сооружений ТРУДЫ ВСЕРОССИЙСКОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ. Севастополь, 2019. С. 327332.

31. Перельман, Р. С. Комплексная автоматизация судовых энергетических установок: учеб. пособие / Р. С. Перельман, Ю. А. Никифоров. - Одесса, 2008. - 312 с.

32. Костылев, И. И. Судовые системы / И. И. Костылев, В. А. Петухов. СПб. : Изд-во ГМА им. адм. С. О. Макарова, 2010. - 420 с.

33. Пахомов, Ю. А. Судовые энергетические установки с ДВС / Ю. А. Пахомов. - М. : Транслит, 2007. - 528 с.

34. Дейнего, Ю. Г. Эксплуатация судовых энергетических установок, механизмов и систем / Ю. Г. Дайнего. М. : Моркнига, 2012. - 344 с.

35. Захаров, Г. В. Техническая эксплуатация судовых дизельных установок / Г. В. Захаров. М.: Транслит, 2009. - 256 с.

36. Лезнов, Б. С Частотно-регулируемый электропривод насосных установок / Б. С. Лезнов. М.: Машиностроение, 2013. - 176 с.

37. Регистровая книга: [Электронный ресурс] // URL: http://www.rivreg.ru/activities/class/regbook/ (дата обращения 05.03.19).

38. Насосы вихревые типов ВК, ВКС, ВКО и агрегаты электронасосные на их основе. Руководство по эксплуатации Н48.547.01.000 РЭ. - 72 с.

39. Кузнецов, В. К. Двигатели ЯМЗ - 236 М2, ЯМЗ - 238 М2 Руководство по эксплуатации. ОАО «Автодизель» (Ярославский моторный завод) / В. К. Кузнецов, Д. В.. Бойков. Ярославль, 2010. - 172 с.

40. Сошников, Е. В. Центробежные насосы. Испытание насосов. Практикум / Е. В. Сошников, О. В.Акимов, Ю. М. Акимова. Хабаровск: ДВГУПС, 2013. - 82 с.

41. Трубаев, П. А. Гидравлические машины и системы технического водоснабжения : учеб. пособие / П. А. Трубаев, П. В. Беседин, Б. М. Гришко. Белгород : Изд-во БелГТАСМ, БИЭИ, 2002 - 132 с.

42. Самоленков, С. В. Обоснование энергосберегающих режимов работы нефтеперекачивающих центробежных насосов с регулируемым приводом [Текст]: автореф. дис. ... канд. техн. наук / С. В. Самоленков. Санкт-Петербург: НМСУГ, 2014. - 21 с.

43. Тимофеев, В. Н. Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС [Текст]: автореф. дис. ... докт. техн. наук / В. Н. Тимофеев. Санкт-Петербург: ГУМРФ имени адмирала С.О.Макарова, 2015. - 52 с.

44. Нелепин, Р. А. Автоматическое управление судовыми энергетическими установками / Р. А. Нелепин. Л. : Судостроение, 1986. - 296 с.

45. Несиоловский, О. Г. Улучшение показателей экономичности автомобильного дизеля за счёт регулирования его теплового состояния [Текст]: автореф. дис. ... канд. техн. наук / О. Г. Несиоловский. Ярославль : ЯГТУ, 1995 - 19 с.

46. Луков, Н. М. Автоматическое регулирование температуры двигателей / Н. М. Луков. М. : Машиностроение, 1977. - 224 с.

47. Луков, Н. М. Автоматическое регулирование температуры двигателей: учеб.пособие / Н. М. Луков. М. : Машиностроение, 1995. - 271 с.

48. Пожидаев, В. М. Современное состояние САРТ дизельных установок / В.М. Пожидаев // Двигателестроение. - 1990. - № 10. - С. 26-28, 31.

49. Регуляторы температуры для дизелей. М.: ЦНИИТЭИ, 1974. - 59

с.

50. Самсонов, В. И. Двигатели внутреннего сгорания морских судов: учеб. / В. И. Самсонов, Н. И. Худов. М. : Транспорт, 1990. - 368 с.

51. Тимофеев, В. Н. Повышение эффективности ДВС путемсовершенствования систем охлаждения / В. Н. Тимофеев, Л. В. Тузов. //Двигателестроение. - 2003. - № 1. - С. 26-29.

52. Карелин, В. Я. Насосы и насосные станции: Учебник для вузов /В. Я. Карелин, А. В. Минаев. М. : Стройиздат, 1986. - 320 с.

53. Харин, В. М. Судовые вспомогательные механизмы и системы : учеб. для вузов / В. М. Харин, Б. Г. Декин, О. Н. Занько. М. : Транспорт, 1992. - 319 с.

54. Каленюк, Н. М. Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические передачи : учеб. пособие / Н. М. Каленюк, А. В. Скрипник. Барнаул : Изд-во АГАУ, 2011. - 248 с.

55. Куликова, Л. В. Теоретические аспекты эффективности внедрениясистем с частотно-регулируемым электроприводом / Л. В. Куликова, А. Л. Андронов // Ползуновский альманах. - 2004. - № 1. - с. 104109.

56. Бледнова, Ж. М. Роль сплавов с эффектом памяти формы в современном машиностроении. Научно-образовательный курс / Ж. М. Бледнова, М. А. Степаненко. Краснодар: Кубанский гос. технологический унт, 2012. - 69 с.

57. Трифонов, А. В. [и др.]. Экспериментальная установка для моделирования системы охлаждения судна забортной водой / М. Н. Покусаев, Н. В. Селиванов, А. В. Трифонов. Санкт-Петербург: Общество с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский центр «Морские интеллектуальные технологии». - 2018. - № 4 (42). - Т. 4. - С. 100-105.

58. Трифонов, А. В. [и др.]. Исследовательские испытания вихревого насоса системы охлаждения забортной водой главного двигателя судна типа «Ярославец» / М. Н. Покусаев, В. Г. Букин, А. В. Трифонов. Санкт-Петербург : Общество с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский центр «Морские интеллектуальные технологии». - 2018. - № 4 (42). - Т. 4. -С. 89-94.

59. Трифонов, А. В. [и др.]. Экспериментальное определение параметров вихревых насосов судовых дизелей с использованием тензометрии / М. Н. Покусаев, В. В. Шахов, О. П. Ковалёв, А. В. Трифонов, В. П. Булгаков. Санкт-Петербург: Общество с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский центр «Морские интеллектуальные технологии». - 2019. - № 1 (43). - Т. 4 - С. 83-87.

60. Трифонов, А. В.[и др.]. Анализ планов управления энергоэффективностью судов» / М. Н. Покусаев, В. Г. Букин, Г. А. Тактаров, А. В. Трифонов, И. М. Абачараев. Санкт-Петербург: Общество с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский центр

«Морские интеллектуальные технологии». - 2019. - № 1 (43). - Т. 4 - С. 98102.

61. Пат. 183697 Российская Федерация, МПК B63J 2/12 F01P 7/16 Система охлаждения судового двигателя / М. Н. Покусаев, А. В. Трифонов; заявитель и патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Астраханский государственный технический университет». № 2017139140; заявл. 10.11.2017; опубл 01.10.2018, Бюл. № 28. 2 с.

62. Шурпяк, В. К. Оценка влияния основных судовых систем на показатели энергетической эффективности судна / В. К. Шурпяк, А. А. Серов // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства. 2017. - № 48-49. - С. 95-103.

63. Пат. 185887 Российская Федерация, МПК F04B 51/00 (2006.01) Стенд для испытания насосов/ М. Н. Покусаев, А. В. Трифонов, Д. А. Волков, А. А. Свекольников. Заявитель и патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Астраханский государственный технический университет». № 2018126348; заявл. 16.07.2018; опубл 21.12.2018. Бюл. № 36. 2 с.

64. Шуаипов Абу Авганович Расчетно-аналитический метод определения внутренних потерь в судовом двигателе внутреннего сгорания // Вестник АГТУ. Серия: Морская техника и технология. 2011. № 2.

65. РД31.03.41-90 Технико-эксплуатационные требования по оптимальной комплектации электростанций морских транспортных судов / Министерство морского флота ЦНИИМФ. - Л., 1990.

66. Дизели в судовом исполнении : [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.sudokomp.ru/sudovie-dizely/dizel-sudovom-ispolnenii. -Загл. сэкрана.

67. Ваншейдт, В. А. Судовые двигатели внутреннего сгорания / В. А. Ваншейдт. Л. : Судостроение, 1977. - 392 с.

68. Несиоловский, О.Г. Система управления тепловым состоянием ДВС с энергосберегающими возможностями / О. Г. Несиоловский, И. Е. Чекалёв // История и перспективы развития транспорта на севере России. -2009. - № 1.- С. 189-194.

69. Теплов, А. Г. Система автоматического теплового регулирования двигателя / А. Г. Теплов, О. Г. Несиоловский // Энергосбережение в сельскохозяйственном производстве сборник научных трудов по материалам Международной очно-заочной научно-практической конференции. - 2016. -С. 79-81.

70. Федоровский, К. Ю. Влияние обрастания на теплоотвод через судовую обшивку / К. Ю. Федоровский, Н. К. Федоровская // Вестн. Волжской государственной академии водного транспорта. - 2019. - № 58. -С. 181-187.

71. Федоровская, Н. К. Экологические аспекты водопотребления техническими средствами освоения морского шельфа / Н. К. Федоровская, К. Ю. Федоровский // Совершенствование проектирования и эксплуатации морских судов и сооружений сборник статей по материалам XIII студенческой межвузовской научно-технической конференции. Севастопольский государственный университет. Севастополь, 2018. - С. 344351.

72. Федоровская, Н. К. Влияние перехода на замкнутые системы охлаждения энергоустановок судов на выбросы отработавших газов / Н. К. Федоровская, К. Ю. Федоровский // Совершенствование проектирования и эксплуатации морских судов и сооружений сборник статей по материалам XIII студенческой межвузовской научно-технической конференции. Севастопольский государственный университет. Севастополь, 2018. - С. 364370.

73. Федоровская, Н.К. Совершенствование экологически безопасных систем охлаждения СЭУ / Н. К. Федоровская, К. Ю. Федоровский // Совершенствование проектирования и эксплуатации морских судов и

сооружений сборник докладов XII студенческой межвузовской научно-технической конференции. Севастопольский государственный университет ; Научный редактор Г. В. Лекарев. - 2017. - С. 147-150.

74. Федоровский, К. Ю. Терморегулирование контуров экологически безопасных замкнутых систем охлаждения энергоустановок / К. Ю. Федоровский, Н. К. Федоровская // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2017. - № 4-1 (324). - С. 146-151.

75. Федоровский, К. Ю. Природоохранная технология обеспечения охлаждения судовой энергетической установки / К. Ю. Федоровский, Н. К. Федоровская // Сб. научных трудов профессорско-преподавательского состава Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова Сборник научных статей. - 2016. - С. 356-362.

76. Yenivatov, V. Increasing efficiency and environmental safety of cooling systems in a floating nuclear power plant / V. Yenivatov, K. Fedorovsky // Vibroengineering Procedia 22, Dynamics of Strongly Nonlinear Systems. Сер. "22nd International Conference on Vibroengineering". - 2016. - Р. 11-16.

77. Ениватов, В. В., Федоровский К.Ю. Энергетическая эффективность замкнутых систем охлаждения энергетических установок судов. Вюник СевНТУ. 2013. № 143. С. 206-210.

78. Гулиа, Н. В. [и др.]. Расчёт основных параметров фрикционного дискового вариатора. Справочник / Н. В. Гулиа, Е. А. Петракова, С. А. Юрков, Д. А. Ковчегин, Д. А. Волков // Инженерный журнал с приложением. - 2001. - № 1. - С. 30.

79. Гулиа, Н. В. Методика расчета КПД планетарного фрикционного дискового вариатора. Справочник / Н. В. Гулиа, Е. А. Петракова // Инженерный журнал с приложением. - 2004. - № 4. - С. 14.

80. Петракова, Е. А. Повышение несущей способности и КПД планетарного дискового фрикционного вариатора [Текст]: автореф. дис. ... канд. тех. наук: / Е. А. Петракова. - Москва:МГИУ, 2004. - 28 с.

81. Гулиа, Н. В. Определение основных размеров планетарного дискового фрикционного вариатора для передаваемых мощностей от 1,5 до 15 кВт / Н. В. Гулиа, Е. А. Петракова // Изв. Московского государственного индустриального университета. - 2009. - № 3 (16). - С. 13-17.

82. Петракова, Е. А. О выборе основных типоразмеров планетарного дискового вариатора. Справочник / Е. А. Петракова, Н. В. Гулиа // Инженерный журнал с приложением. - 2009. - № 7 (148). - С. 31-36.

83. Гулиа, Н. В. О влиянии скорости качения дисков на основные параметры фрикционного планетарного вариатора / Н. В. Гулиа, Е. А. Петракова // Машиностроение и инженерное образование. - 2010. - № 2 (23). - С. 2-8.

84. Открылись дачные маршруты : [Электронный ресурс]. Режим доступа: 1ШрБ://ау30.ги^кгуЫа-ёасИпу!-шагеИги/. - Загл. с экрана.

85. Дачный маршрут Пионерлагеря : [Электронный ресурс]. Режим доступа: ИПрБ: //ау3 0 .ги/ёасИпу!-тагБИги-рюшегк^епа/.- Загл. с экрана.

86. Зябров, В. А. Управление переходными режимами судов внутригородских и пригородных линий с целью повышения надежности СЭУ и снижения затрат на перевозки [Текст]: автореф. дис. ... канд. тех. наук: / В. А. Зябров. М. : МГАВТ, 2006. - 25 с.

87. Пассажирский теплоход «Астраханец-002» : [Электронный ресурс]. Режим доступа: Ь11р://шшш.сги15е1п1огш.ги/шо1ог5Ь1р5/рго^и1осЬпуе-Ао1/ав1:гакЬапе18002/ .- Загл. с экрана.

88. Бастрыкин, С. В. Экономическое обоснование проектирования (модернизации, реконструкции) судовых энергетических установок: учебное пособие / С. В. Бастрыкин, Н. С. Обухова. Астрахань : Изд-во АГТУ, 2016. -96 с.

Приложение А. Анализ крутильных колебаний экспериментального стенда с вариатором на частоте вращения 1 400 об/мин

1. Колебания на стабильной работе насоса (без перекрытия клапана) на участке: от 30,9 до 31,2 с

Рисунок А. 1. Колебания на стабильной работе насоса (без перекрытия

клапана)

Характер колебаний: периодический. Период колебаний составляет 0,1395 с.

Средняя величина максимальных колебаний, анализ по 4-ем точкам: (20,49 + 20,27 + 20,49 + 20,61) / 4 = 20,46 у.е. Кол-во максимальных пиков колебаний на участке: 12 шт. Частота колебаний: 302 Гц.

2. Колебания на кавитационном режиме на участке: от 140,4 до 140,7 с. Характер колебаний: периодический. Период колебаний составляет 0,1385 с.

Средняя величина максимальных колебаний, анализ по 4-ем точкам: (21,96 + 21,96 + 20,44 + 21,74) / 4 = 21,52 у.е.

Кол-во максимальных пиков колебаний на участке: 12 шт. Частота колебаний: 280 Гц.

Рисунок А. 2. Колебания на кавитационной работе насоса

3. Промежуточная работа насоса при ступенчатом закрытии клапана на нагнетательном трубопроводе на участке 75,25 - 75,40 с.

Рисунок А.3. Колебания при работе насоса с перекрыванием клапана на

нагнетательном трубопроводе Характер колебаний: периодический. Период колебаний составляет 0,137 с.

Средняя величина максимальных колебаний, анализ по 4-ем точкам: (23,52 + 22,11 + 21,98 + 23,36) / 4 = 22,74 у.е. Кол-во максимальных пиков колебаний на участке: 12 шт. Частота колебаний: 278 Гц.

Таблица А. 1. Сравнение параметров колебаний

Наименование режима Средняя максимальная величина амплитуды колебаний, у.е. Частота колебаний, Гц

Стабильная работа насоса 20,46 302

Кавитационный режим 21,52 280

Работа насоса с перекрытием клапана на нагнетательной линии 22,74 278

Выводы.

1. Колебания на всех режимах периодические.

2. Максимальные амплитуды колебаний не отличаются более чем на 11 % на режимах.

3. Частота колебаний на стабильном режиме выше.

4. Частота колебаний на отдельных режимах не отличается более чем на 8,6 %.

5. Форма отдельных пиков на разных режимах практически идентична, что говорит об одной природе их возникновения.

6. Относительно малая величина крутильных колебаний соединительного вала может быть связана с высокой жёсткостью соединительного вала

вследствие его небольшой длины, высокой инерции массы ротора электродвигателя и насоса. 7. Очевидно, что колебания мало изменяются в зависимости от режима работы насоса и в своей основе могут быть вызваны:

- колебаниями момента, создаваемого электродвигателем;

- колебаниями, вызванными неточной центровкой валовой линии и влияния осевых и продольных колебаний вала;

- колебаниями, вызванными неравномерностью потока воды через колесо насоса, однако, режимы кавитации и перекрытия крана на нагнетательной магистрали показали не существенное увеличение амплитуды колебания на 5,2 и 11 %.

Приложение Б. Расчёт крутильных колебаний судна РК-2091 Таблица Б.1. Исходные данные для расчёта

1 Марка двигателя (ГД) 3Д6 6С2-81 (6ЧСП15/18)

2 Момент инерции коленвала ГД 1,45 кгс ■ см ■ с2

3 Податливость коленвала ГД 45 ■ 10-9 1/кгс ■ см

4 Момент инерции маховика ГД 77,65 кгс ■ см ■ с2

5 Минимальная и максимальная частота вращения 500-1 200 об/мин

6 Номинальная мощность ГД 150 л.с., 110 кВт

7 Марка реверс редуктора СБ525-01-13 (Передаточное отношение на передний ход 1:2,95; на задний ход 1:2,18)

8 Параметры валов:

наименование гребной

диаметр 80 см

длина 595,4 см

9 Параметры гребного винта

Диаметр 82 см

Число лопастей 4

Шаг 120 см

Дисковое отношение 0,5

Материал винта Бронза

10 Материал коленчатого вала ГД Высококачественная сталь 18ХНВА, временное сопротивление 780 МПа

11 Рамовая и шатунная шейки коленчатого dшш = 8,5 см

вала (диаметры) = 9,5 см Материал сталь 35, временное сопротивление 510 МПа

Рисунок Б.1. Торсиограмма валопровода на ходовом режиме

Таблица Б.2. Соответствие времени торсиограммы и частоты вращения КВ

двигателя

Время фиксирования оборотов, с Частота вращения КВ, об/мин

46 486

189 600

455 979

480 1071

Таблица Б.3. Момент инерции гребного винта

Гребной винт

№ Параметр Значение

1 Плотность материала винта g, кг ■ см- 0,00785

2 Диаметр винта Д см 82

3 Дисковое отношение а 0,5

4 Момент инерции винта дм, кг ■ см ■ с 14,26

5 Число лопастей 2 4

6 Шаг винта, см 120

7 Шаговое отношение И 1,46

8 Момент инерции присоединенной воды qв, кг ■ см ■ с2 7,73

Таблица Б.4. Моменты инерции крутильной схемы

Массы Кгс • см • с2 Относит. Редуц.

1 цилиндр 1,450 1,000 1,000

2 цилиндр 1,450 1,000 1,000

3 цилиндр 1,450 1,000 1,000

4 цилиндр 1,450 1,000 1,000

5 цилиндр 1,450 1,000 1,000

6 цилиндр 1,450 1,000 1,000

маховик 77,640 53,545 53,545

Входная шестерня редуктора 0,927 0,639 0,639

Выходная шестерня 7,640 5,269 0,605

редуктора

Соед. муфта и пол. гребного 8,822 6,084 0,699

вала

Гребной винт и пол. греб вала 22,950 15,828 1,819

Таблица Б.5. Податливости валов и соединений крутильной схемы

Валы 1 / кгс • см Относит. Редуц.

1 цил - 2 цил 0,0000000450 1,0000 1,0000

2 цил - 3 цил 0,0000000450 1,0000 1,0000

3 цил - 4 цил 0,0000000450 1,0000 1,0000

4 цил -5 цил 0,0000000450 1,0000 1,0000

5 цил - 6 цил 0,0000000450 1,0000 1,0000

6 цил - мах 0,0000000388 0,8620 0,8620

Маховик -редуктор 0,0000000752 1,6700 1,6700

Редуктор 0,0000000000 0,0000 0,0000

Редуктор - гребной вал 5,36Е-08 1,1900 10,3560

Гребной вал 1,83Е-06 40,6417 353,6842

Таблица Б.6. Полярные моменты сопротивления валов

Полярный момент инерции, см3

Коленчатый вал 111

Вал маховик - редуктор 106

Гребной вал 100

Вал редуктор - маховик 143

Таблица Б.7. Результаты расчёта форм колебаний, амплитуд колебаний и

усилий, масштабов напряжений

Одноузловая форма

Амплитуды колебаний

№ массы 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Значение 1,0000 0,9984 0,9952 0,9905 0,9841 0,9762 0,9681 0,8147 0,8147 -0,1534 -33,1569

Амплитуды усилий

№ участка 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11

Значение -0,0016 -0,0032 -0,0048 -0,0063 -0,0079 -0,0095 -0,0919 -0,0927 -0,0935 -0,0933

Масштабы напряжений для Astech

№ участка 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11

Ы/Ь10-11 0,0170 0,0341 0,0510 0,0679 0,0847 0,1013 0,9845 0,9934 1,0018 1,0000

М0 МПа/МПа 0,0052 0,0104 0,0156 0,0207 0,0259 0,0309 0,3149 33,6754 0,7006 1,0000

Отношение полярных моментов

№ участка 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11

W¡ 111 111 111 111 111 111 106 1 143 100

Wio.li/Wj 0,9009 0,9009 0,9009 0,9009 0,9009 0,9009 0,9434 100,0000 0,6993 1,0000

Двухузловая форма

Амплитуды колебаний

№ массы 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Значение 1,0000 0,9340 0,8063 0,6254 0,4031 0,1543 -0,0690 -0,0943 -0,0943 -0,1708 0,0041

Амплитуды усилий

№ участка 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11

Значение -0,0660 -0,1277 -0,1809 -0,2222 -0,2488 -0,2590 -0,0151 -0,0112 -0,0074 0,0005

Масштабы напряжений для Astech

№ участка 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11

Ы/Ь10-11 -133,5234 -258,2307 -365,8879 -449,3868 -503,2142 -523,8161 -30,6102 -22,5637 -14,9432 1,0000

М0 МПа/МПа 0,4078 78,8611 111,7386 137,2383 153,6767 159,9683 9,7890 764,8703 10,4498 1,0000

Отношение полярных моментов

№ участка 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11

W¡ 111 111 111 111 111 111 106 1 143 100

WlQ.1l/Wj 0,0090 0,9009 0,9009 0,9009 0,9009 0,9009 0,9434 100,0000 0,6993 1,0000

Таблица Б.8. Расчет допускаемых напряжений по правилам Российского

речного регистра

№ Параметр Значение

Коленчатый вал

1 Диаметр вала й, мм 85,00

2 Временное сопротивление Ят, МПа 780,00

3 Допускаемые напряжения р], МПа 38,11

Гребной вал

1 Диаметр вала й, мм 80,00

2 Временное сопротивление Ят, МПа 510,00

3 Допускаемые напряжения р], МПа 28,42

Таблица Б.9. Результаты обработки торсиограммы

Результаты обработки тензограмм (на передний ход судна).

№ Форма колебаний Порядок колебаний V Частота вращения коленчатого вала п, об/мин Частота колебаний N1, Отличие фактического от расчетного,% Величина сигнала i Размах ] у.е. Амплитуда напряжений в торсиограф. валу, МПа Фактические напряжения т, МПа Допускаемые напряжения [т], Мпа Вал

Фактич. Расчетная

1 Одноузловая 3 500 1454 1491 2,47 9 860 9,542 0,30 38,11 Коленчатый

6,68 28,42 Гребной

2 Двухузловая 9 1070 9400 9607 2,15 9 12 0,133 21,30 38,11 Коленчатый

0,13 28,42 Гребной

3 Двухузловая 12 800 9350 9607 2,67 9 13 0,144 23,07 38,11 Коленчатый

0,14 28,42 Гребной

Таким образом, на частоте КВ 500 об/мин превышение допустимых напряжений в гребном валу отсутствует, на частотах 900 и 1 070 об/мин превышение допустимых напряжений в коленчатом валу также отсутствует.

Таблица Б.10. Винтовая характеристика

Частота вращения КВ, об/мин 0 486 600 790 900 1071

Напряжение в гребном валу, Па 1420000 2640000 2950000 3770000 4990000

Момент полярный гребного вала, м3 0,000143 0,000143 0,000143 0,000143 0,000143

Момент крутящий на гребном валу, Н*м 203,06 377,52 421,85 539,11 713,57

Момент крутящий на коленчатом валу, Н*м 67,82 131,85 143,07 181,21 230,96

Мощность ГД, кВт 0,00 3,45 8,28 11,83 17,07 25,89

Рисунок Б.2. Винтовая характеристика

Приложение В. Акты об использовании результатов диссертационной работы

г Федеральное агентство по рыболовству

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования О Г» «Астраханский государственный технический университет»

' 1 Система менеджмента «честм в области образования, воспитания, науки и инноваций сертифицирована DQS

Hqq qoo^ "о международному стандарту' ISO 9001:2015

4 ,J:

УТВЕРЖДЕН

Проректор по научной работе и инновациям

>1Ю.А.Максименко

« ; у>С£**ШН 2019 г.

АКТ

оо использовании диссертационной раооты в научной раооте университета

Составлен: комиссией Председатель:

к.т.н., доцент, директор Института морских технологий, энергетики и транспорта, зав. каф. «Судостроение и энергетические комплексы морской техники» А.Р. Рубан; Члены комиссии:

к.т.н., доцент, зам. зав. каф. «Эксплуатация водного транспорта» К.О. Сибряев; к.э.н., доцент каф. «Эксплуатация водного транспорта» Е.Г. Ильина.

Подтверждается использование в научной работе университета результатов диссертационной работы Трифонова Алексея Викторовича «Энергоэффективность систем охлаждения двигателей маломерных судов» при выполнении государственных бюджетных научно-исследовательских работ в рамках Научно-исследовательской лаборатории «Ретрофиг технологий на транспорте»:

- «Энергоэффективные технологии и логистика на водном транспорте», номер государственной регистрации НИОКТР 115030310029 от 03.03.15;

- «Интеллектуальные транспортные системы: энергоэффективность, экология, логистика», номер государственной регистрации НИОКТР АААА-А16-116031610012-8 от 16.03.16;

- «Транспортная энергетика и интеллектуальные транспортно-логистические системы», номер государственной регистрации НИОКТР АААА-А17-117042510062-9 от 25.04.17.

- «Судовая энергетика и морские надводные роботизированные системы», номер государственной регистрации НИОКТР АААА-А 18-118031290040-9 от 12.03.18.

Председатель комиссии

Члены комиссии:

А.Р. Рубан

К.О. Сибряев Е.Г. Ильина

АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО

«ПЕРВОМАЙСКИЙ СУДОРЕМОНТНЫЙ ЗАВОД»

414009 г. Астрахань ул. Набережная Тимирязева , 64 Е- mail: psrz@ mail.ru. тел./факс 32-06-55 ИНН 3016003813

«Первомайс.

/ /Я

АКТ

об использовании результатов диссертационного исследования ассистента кафедры «Эксплуатация водного транспорта» Института морских технологий, энергетики и транспорта ФГБОУ ВО «Астраханский

государственный технический университет» Трифонова Алексея Викторовича «Энергоэффективность систем охлаждения двигателей маломерных судов»

Настоящим документом подтверждается факт использования в деятельности АО «Первомайский судоремонтный завод» материалов диссертационного исследования ассистента Трифонова A.B., а именно:

- система охлаждения судового двигателя из патента на полезную модель №183697;

- стенд для испытания насосов из патента на полезную модель №185887;

результаты экспериментальных исследований по испытанию навешенных насосов забортной воды системы охлаждения двигателей

маломерных судов.

Данные материалы могут быть использованы при конвертировании автомобильных двигателей ЯМЭ-238 в судовые дизель-редукторные агрегаты с целью установки на судах в качестве главного двигателя, а также замены на эксплуататирующихся судах морально и физически устаревших моделей дизель-редукторных агрегатов с дизелями ЗД6 и другими, близкими по характеристикам. Использование предлагаемой системы охлаждения позволит снизить удельный расход топлива двигателя и обеспечить рациональное охлаждение на всех режимах работы и в различных климатических условиях.

Акт выдан для предоставления в диссертационный совет.

Приложение Г. Измерение вибрации на экспериментальном стенде

На экспериментальном стенде был измерен уровень вибрации в соответствии с Правилами классификации и постройки морских судов РМРС Часть VII Механические установки. Для насосов главным нормируемым параметром является виброскорость, мм/с. Уровень вибрации определялся в различных точках, показанных на рисунке Г.1.

Рисунок Г.1. Точки измерения вибрации на стенде

Полученные при измерении значения виброскорости, виброускорения и виброперемещения представлены в таблице Г.1 и Г.2.

Таблица Г.1. Результаты измерения вибрации на частоте вращения 1500 об/мин

№ Виброускорение, м/с2 Виброскорость, мм/с Виброперемещение, мм

1 4,3 11,2 0,160

2 5,0 9,6 0,160

3 4,2 9,2 0,158

4 3,8 6,5 0,117

5 2,1 3,9 0,114

6 3,2 5,2 0,096

7 1,4 1,1 0,013

8 1,8 1,9 0,033

9 4,4 14,0 0,257

10 4,8 14,2 0,269

11 1,3 2,6 0,049

12 1,9 5,1 0,082

Таблица Г.2. Результаты измерения вибрации на частоте вращения 1900 об/мин

№ Виброускорение, м/с2 Виброскорость, мм/с Виброперемещение, мм

1 4,5 3,1 0,6

2 4,8 5,3 0,61

3 4,4 4,2 0,055

4 3,6 4,3 0,060

5 2,3 5,0 0,079

6 2,1 5,0 0,069

7 2,1 5,3 0,082

8 2,7 7,4 0,095

9 9,2 30,4 0,449

10 7,7 23,3 0,346

11 5,0 16,4 0,244

12 4,6 14,7 0,221

Дополнительно был определён уровень виброскорости на подшипниках насоса (таблица Г.3) для сравнения с допустимыми значениями в паспорте насоса.

Таблица Г.3. Среднеквадратическое значение виброскорости в месте расположения подшипников

№ Виброскорость при частоте вращения 1500 об/мин, мм/с Виброскорость при частоте вращения 1900 об/мин, мм/с

1 4,3 5,8

2 3,1 6,9

Согласно результатам имеется незначительное превышение допустимого уровня виброскорости. Данное превышение можно объяснить тем, что насос смонтирован на новой раме, в его привод добавлен вариатор, который не имеет крепления к фундаменту и он крепится только к фланцу электродвигателя.

Приложение Д. Результаты измерений гидромеханических параметров на экспериментальном стенде

Таблица Д.1. Результаты измерений при частоте вращения насоса 1500 об/мин

№ Экспериментальные значения X

опыта измерения Частота вращения, об/мин 0, м3/ч Рн, кПа Рв, кПа N Вт 0, м3/ч Рн, кПа Рв, кПа N Вт

1 3,8104 72,5 43,8 715

1 2 3,7995 72,5 43,9 713 3,8064 72,47 43,83 713,33

3 3,8094 72,4 43,8 712

1 3,6142 96,2 39,0 770

2 2 3,6173 96,4 39,2 764 3,6133 96,27 39,10 767,67

3 3,6085 96,2 39,1 769

1 3,5124 115,0 35,2 803

3 2 3,5198 114,9 35,2 805 3,5169 114,93 35,17 803,33

3 3,5186 114,9 35,1 802

1 3,4027 139,1 30,9 840

4 2 3,3843 139,0 30,9 844 3,3968 139,07 30,87 842,00

3 3,4034 139,1 30,8 842

1 3,2941 158,2 27,6 875

5 2 3,2821 158,3 27,5 871 3,2898 158,27 27,47 871,67

3 1500 3,2933 158,3 27,3 869

1 2,8644 209,3 20,8 995

6 2 2,8564 209,2 20,5 993 2,8608 209,17 20,67 995,00

3 2,8617 209,0 20,7 997

1 2,0932 297,1 8,5 1170

7 2 2,0918 297,0 8,3 1164 2,0830 297,17 8,43 1168,00

3 2,0641 297,4 8,5 1170

1 1,8363 340,5 5,3 1322

8 2 1,8354 341,1 5,3 1315 1,8327 341,00 5,27 1319,00

3 1,8263 341,6 5,2 1320

1 1,2784 412,2 0,3 1408

9 2 1,2715 411,3 0,3 1405 1,2621 412,00 0,27 1406,33

3 1,2364 412,1 0,2 1406

1 0 537,0 0 1648

10 2 0 537,1 0 1642 0,0000 537,10 0,03 1644,33

3 0 537,2 0,1 1643

№ Экспериментальные значения X

опыта измерения Частота вращения, об/мин м3/ч Рн, кПа Рв, кПа N Вт м3/ч Рн, кПа Рв, кПа N Вт

1 3,2704 47,2 26,3 440

1 2 3,2687 47,2 26,2 438 3,2694 47,17 26,27 439,67

3 3,2692 47,1 26,3 441

1 3,2304 50,7 25,5 450

2 2 3,2296 50,8 25,6 452 3,2304 50,73 25,57 451,67

3 3,2311 50,7 25,6 453

1 3,0403 54,3 24,9 452

3 2 3,0412 54,6 24,6 451 3,0404 54,43 24,77 452,33

3 3,0396 54,4 24,8 454

1 3,0283 60,1 23,4 455

4 2 3,0311 60,1 23,5 458 3,0297 60,13 23,43 457,33

3 3,0298 60,2 23,4 459

1 2,928 67,4 22,5 470

5 2 2,917 67,5 22,4 472 2,9237 67,37 22,50 471,00

3 2,926 67,2 22,6 471

1 2,6912 86,6 18,5 495

6 2 1200 2,6893 86,5 18,7 494 2,6909 86,63 18,63 495,33

3 2,6921 86,8 18,7 497

1 2,4403 120,2 12,7 540

7 2 2,4411 119,9 12,6 541 2,4403 120,07 12,57 541,67

3 2,4395 120,1 12,4 544

1 2,3425 128,1 12,1 563

8 2 2,3408 128,1 12,2 562 2,3424 128,00 12,13 563,67

3 2,3439 127,8 12,1 566

1 2,0012 160,1 7,7 584

9 2 2,0031 160,2 7,7 579 2,0020 160,13 7,73 580,33