close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Повышение надежности судового малооборотного дизеля в условиях дестабилизирующих воздействий

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
БОРДЮГ Александр Сергеевич
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ СУДОВОГО МАЛООБОРОТНОГО
ДИЗЕЛЯ В УСЛОВИЯХ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Специальность 05.08.05 – Судовые энергетические установки и их элементы
(главные и вспомогательные)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2018
2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном
учреждении
высшего
образования
«Керченский
государственный морской технологический университет»
Научный руководитель:
кандидат технических наук, доцент
Черный Сергей Григорьевич
Официальные оппоненты:
Медведев Валерий Викторович
доктор технических наук, доцент, СПбГМТУ,
доцент кафедры судовых двигателей внутреннего
сгорания и дизельных установок
Попов Леонид Николаевич
кандидат технических наук, доцент, ФГУП
«Крыловский государственный научный центр»,
начальник
отдела
системной
интеграции
исследований в области энергетических и
электроэнергетических
установок
морских
объектов
Ведущая организация:
Федеральное
государственное
бюджетное
образовательное
учреждение
высшего
образования
«Волжский
государственный
университет водного транспорта»
Защита состоится «28» июня 2018 г. в 13-00 часов на заседании
диссертационного совета Д223.009.04 при ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени
адмирала С.О. Макарова» по адресу: 198035, г. Санкт-Петербург, ул. Двинская,
д. 5/7, ауд. 235а.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВО
«ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова»:
https://gumrf.ru/naudejat/gna/dissov_22300904/zd22300904/
Автореферат разослан «____» _____________2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
д.т.н., доцент
Жуков Владимир Анатольевич
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Малооборотные двигатели (МОД) благодаря
высоким КПД, достигающим 54 %, ресурсу, составляющему до 100000 часов,
возможности использования дешевых сортов топлива и возможность прямой
передачи мощности на гребной винт являются наиболее предпочтительными
при выборе главных двигателей морских судов, что подтверждается опытом
современного дизеле- и судостроения.
Высокий уровень форсированности рабочего процесса в современных
МОД обусловил наличие высоких тепловых и механических напряжений в
деталях цилиндропоршневой группы. Поэтому для обеспечения надежной
работы МОД при определении области эксплуатационных режимов
необходимо исключить вероятность перегрузки двигателя.
После согласования с заказчиком судна режимов эксплуатационной
мощности производится оптимизация рабочих характеристик двигателя путем
настройки оптимального угла опережения подачи топлива, перенастройки
соплового аппарата турбокомпрессора (ТК) и т.п. Положение оптимизационной
точки определяется таким образом, чтобы она находилась в зоне
предполагаемых наиболее часто вероятных эксплуатационных режимов. Для
обеспечения требуемой скорости судна, при возможном временном ухудшении
его технического состояния и при ухудшении условий плавания, заводамипроизводителями рекомендуется устанавливать 10% запас мощности двигателя
и 15% запас мощности по погодным условиям и состоянию корпуса (морской
запас). Ограничения, накладываемые на мощность и частоту вращения,
определяются рекомендуемой зоной длительной работы и узкой зоной
кратковременной перегрузки, выход за пределы которой недопустим.
Процесс управления главным двигателем судовой энергетической установки (СЭУ) должен обеспечивать надёжную эксплуатацию судна, в особенности при работе на максимальной длительной мощности в условиях значительных колебаний, вызванных изменениями винтовой характеристики. Интенсивность колебаний нагрузки, имеющая место в тяжёлых погодных условиях, может привести к серьезным негативным последствиям, наиболее значительным
из которых может быть критическое увеличение частоты вращения коленчатого
вала дизеля в связи с резким уменьшением облегчением винтовой характеристики, что в условиях перехода может привести к катастрофическим последствиям.
Неконтролируемый выход за область допустимых режимов может являться дополнительным источником, возбуждающим и поддерживающим вибрации, к числу которых в МОД относятся неуравновешенные силы и моменты,
аксиальные колебания коленчатого вала и его крутильные колебания, вызывающие вибрации как двигателя, так и корпуса судна. Выход в зону критических
частот вращения, при совпадении частот свободных и вынужденных колебаний, вызывает явление резонанса, при котором амплитуда крутильных колебаний резко увеличивается и, в конечном счете, может привести к появлению
усталостных трещин коленчатого вала. Вибрации корпуса судна, вызываемые
крутильными колебаниями, обычно снижаются или исчезают при увеличении
4
частоты вращения, однако вибрации, вызванные неуравновешенностью двигателя, при увеличении частоты вращения могут усиливаться.
Согласно статистическим данным, приводимым Регистром Ллойда, доля
отказов по причине перегрузок и последствий вибраций от общего числа отказов составляет для малооборотных дизелей – 22 %, среднеоборотных – 11 %,
высокооборотных – 4 %. Из них, отказы, связанные с работой подшипников
турбины и компрессора, составляют соответственно 23 % и 20 %. В этой связи
в диссертации отдельное внимание уделяется вопросам слежения за турбовальными моментами и снижению колебаний частоты вращения не только главного
вала, но и вала турбокомпрессора.
Реализуемая в последних моделях МОД возможность электронного
управления впрыском топлива и работой выпускного клапана, дает ряд преимуществ и позволяет динамически изменять характеристики топливоподачи
при различных условиях нагружения двигателя, обеспечивать постоянство максимального давления цикла в достаточно широком диапазоне нагрузок путём
регулирования угла опережения впрыска топлива и момента закрытия выпускного клапана.
В связи с изложенным, целью настоящего исследования является обеспечение надежности судового малооборотного дизеля в условиях дестабилизирующих воздействий путем уменьшения колебаний частоты вращения коленчатого вала.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие научные задачи:
1. Разработка с использованием карт крутящих моментов на валах двигателя и турбокомпрессора математической модели малооборотного двухтактного дизельного двигателя, позволяющей учитывать влияние турбокомпрессора
на эксплуатационные показатели двигателя.
2. Анализ влияния изменений сопротивления винта на колебания частот
вращения и моментов на валах двигателя и турбокомпрессора на режиме максимальной длительной мощности в зависимости от цикловой подачи топлива.
3. Синтез передаточной функции системы «главный двигатель–винт»
полного и уменьшенного порядков и средств идентификации её параметров, не
доступных для непосредственного измерения на двигателе, установленными на
нём штатными средствами.
4. Разработка средств снижения колебаний частоты вращения малооборотного двухтактного дизельного двигателя судовой энергетической установки
в режимах, близких к максимальной длительной мощности, при возмущениях
со стороны винта.
5. Оценка влияния улучшения переходного процесса (снижения колебаний частоты вращения коленчатого вала при переходном процессе) на показатели безотказности МОД.
Объектом исследования является судовая энергетическая установка
судна водоизмещения 40 000 тонн с МОД MAN Diesel & Turbo 6L60 и прямой
передачей с одним винтом фиксированного шага.
5
Предметом исследования являются влияние качества переходных процессов на показатели надежности МОД.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались положения теории рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания,
опыт проектирования и технической эксплуатации СЭУ, газодинамический
анализ действительного цикла ДВС, дифференциальные уравнения динамики
главной энергетической установки, математический аппарат теории автоматического управления, методы теории искусственных нейронных сетей.
Научную новизну полученных результатов исследования представляют
следующие результаты:
1. Математическая модель МОД, созданная с использованием карт крутящих моментов, уточняющая влияние турбокомпрессора на характеристики
переходных процессов.
2. Описание передаточной функции исследуемого двигателя с полным и
пониженным порядком и метода идентификации её параметров с минимальным
количеством измерений на натурном объекте и отсутствием необходимости
проведения тестовых экспериментов в процессе его эксплуатации.
3. Методика снижения колебаний частоты вращения малооборотного
двухтактного дизельного двигателя судовой энергетической установки на режимах, близких к длительной максимальной мощности, при значительных дестабилизирующих воздействиях.
Практическая значимость:
1. Предложенная математическая модель, созданная с использованием
карт моментов, позволяет использовать её в системах управления МОД в режиме реального времени.
2. Предложенные методы позволяют обеспечить устойчивую работу
главного двигателя на режиме максимальной длительной мощности при влиянии на него значительных возмущающих воздействий, что позволяет использовать двигатель меньшей мощности и повысить коэффициент его загрузки.
3. Предложенные средства позволяют обеспечить безотказную эксплуатацию СЭУ с МОД при значительных резкопеременных возмущениях со стороны нагрузки.
Апробация результатов исследований. Основные теоретические положения и результаты диссертации докладывались и получили положительную
оценку на:
1. Научно-практическая конференция «Морское образование: традиции,
реалии и перспективы» (г. Санкт-Петербург, 2015 г.).
2. Ежегодная научно-практическая конференция профессорскопреподавательского состава государственного университета морского и речного флота имени адмирала Макарова (г. Санкт-Петербург, 2016 г.).
3. III Международная научная конференция «Информационные технологии в науке, управлении, социальной сфере и медицине» (г. Томск, 2016 г.).
4. 23rd Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation
Systems (г. Санкт-Петербург, 2016 г.).
5. II Межрегиональной научно-практическая конференция «Перспектив-
6
ные направления развития отечественных информационных технологий» (г.
Севастополь, 2016 г.).
6. 22nd International Conference on Vibroengineering (г. Москва, 2016 г.).
7. 9-я Российская мультиконференция по проблемам управления «Информационные технологии в управлении (ИТУ-2016)» (г. Санкт-Петербург,
2016 г.).
8.
10th IEEE International Conference on Application of Information and
Communication Technologies (г.Баку, 2016 г.).
9.
XII Межвузовская научно-техническая конференция «Совершенствование проектирования и эксплуатации морских судов и сооружений» (г.
Севастополь, 2017 г.).
10. Международная научно-практическая конференция «Транспорт
России: проблемы и перспективы – 2017» (г. Санкт- Петербург, 2017 г.).
11. Региональная научно-практическая конференция «Актуальные вопросы проектирования, постройки и эксплуатации морских судов и сооружений»
(г. Севастополь, 2017 г.).
Результаты диссертационной работы внедрены: АО «Проект» (т/х
«Олимпиада»), ООО «Тузла», ООО «СК «Надежда», ФГБОУ ВО «КГМТУ».
Личный вклад соискателя состоит в обосновании идеи работы и ее реализации путем постановки цели и задач исследования, руководства и непосредственного участия в выполнении теоретических, аналитических и экспериментальных исследований, а также обобщения результатов исследований и
разработки рекомендаций по их использованию, внедрении результатов исследований.
Достоверность и обоснованность защищаемых научных положений,
выводов и рекомендаций обеспечивается обоснованным использованием методов математической статистики и современных достижений вычислительной
техники; значительным объемом экспериментальных исследований; подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов аналитических расчетов
с экспериментальными данными, теоретическими гипотезами и данными других авторов; положительным эффектом внедрения результатов исследований.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе
основные результаты, полученные в диссертационной работе, изложены в 6
публикациях в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК, 4 публикации индексируются Scopus.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, четырёх разделов, выводов, списка литературы, приложений. Материал изложен на 147 страницах, содержит 21 рисунок, 7 таблиц, 5 приложений.
Список использованной литературы включает в себя 228 источников, в том
числе − 74 на иностранных языках.
7
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель
и задачи диссертационной работы, основные положения, выносимые на защиту,
показаны научная новизна и практическая значимость работы, личный вклад
соискателя в решение поставленных задач.
В первом разделе на основании анализа научной литературы и технической документации фирмы «MAN Diesel & Turbo» на малооборотные двухтактные двигатели морского исполнения показано, что обеспечение надёжности и
эффективности их эксплуатации в качестве главного двигателя СЭУ морских
водоизмещающих судов невозможно без совершенствования систем управления режимами работы МОД. Для обеспечения устойчивой работы МОД при
эксплуатации судна в сложных погодных условиях, с учётом возможного отклонения параметров окружающей среды и качества топлива от номинальных
рекомендуемых производителем, номинальная мощность двигателя выбирается
со значительным запасом. Согласно статистическим данным, которые в своих
отчётах приводит «MAN Diesel & Turbo», если средняя загрузка МОД в береговых установках составляет 95-100% при работе около 8000 часов в год, то МОД
в СЭУ имеет среднюю загрузку на уровне 60% около 6000 часов в год. Таким
образом, коэффициент загрузки береговых МОД на 25-40% и даже более превышает таковой у МОД, эксплуатируемых на судах. Производитель объясняет
данный факт тем, что эксплуатация на морских судах отличается значительным
диапазоном изменения нагрузок и их резкопеременным характером, а также
значительным диапазоном изменения внешних факторов, к которым в первую
очередь относит расширенные (как в сторону максимума, так и минимума) диапазоны варьирования температур охлаждающего воздуха и воды. То же касается и разброса параметров топлива и масел, включая степень их соответствия
друг другу.
На основании проведённого обзора и исследования модельного ряда
МОД основных производителей судовых дизелей сделан вывод, что, на сегодняшний день, не существует средств обеспечения устойчивой работы МОД на
заданном режиме, в условиях изменяющихся эксплуатационных факторов и
значительных флуктуаций нагрузки со стороны винта.
С 2003 года МОД стали комплектоваться системами электронного управления впрыском топлива и работой выпускного клапана, что теоретически
должно было позволить повысить эффективность и устойчивость последних
моделей МОД. Однако, как показывает техническая документация и статистические данные по отказам, значительных успехов здесь достигнуто не было.
Двигатель 6L60 мощностью 11520 киловатт при установке на контейнеровозы водоизмещением 40 000 тонн оборудуется электрическими элементами
управления топливоподачей, выпускными клапанами и системой смазки. Несмотря на использование современных решений в области систем управления
МОД, наличие высокого запаса по мощности и низкого среднего значения коэффициента загрузки МОД на уровне 0,6–0,7, по имеющейся статистике отказы, вследствие перегрузки МОД составляют около 10 % от зарегистрированных
отказов.
8
В разделе анализируется степень разработанности темы и отечественными исследователями. Основной вклад в теорию рабочего процесса двигателей
внесли В.И. Гриневецкий, Е.К. Мазинг, Н.Г. Брилинг, Н.М. Глаголев, А.С. Орлин, В.А. Ваншейдт, А.Н., В.В. Гаврилов; в теорию автоматического управления дизелей и СЭУ основной вклад внесли Н.Д. Абдулаев, В.Я. Ротач, А.С.
Клюев, Л.И. Исаков, Н.Н. Иващенко или В.И. Крутов, В.И. Ланчуковский, Н.М.
Луков; в исследования надежности дизельных двигателей и СЭУ: Ю.Н. Мясников, В.В. Медведев, В.Н. Половинкин.
При проведении исследований параметры рабочего процесса МОД, анализировались с использованием математической модели газодинамики дизеля,
созданной с использованием результатов экспериментальных данных для дизелей фирм «Wartsila» и «MAN Diesel & Turbo».
Проведенный обзор научной и технической информации свидетельствует,
что повышение надежности судовых МОД может быть обеспечено совершенствованием их систем управления, направленным на улучшение качества переходных процессов в условиях дестабилизирующих воздействий на двигатель и
предупреждение выхода режимов работы МОД за номинальные при резких изменениях момента сопротивления со стороны гребного винта.
Во втором разделе проводится исследование МОД с точки зрения поиска
методов повышения устойчивости эксплуатационных режимов в широком диапазоне изменения внешних воздействий. Исследование проводится с использованием математического моделирования и компьютерной симуляции исследуемой системы. Моделирование начинается с динамического анализа системы,
включающей главную энергетическую установку, главный вал, гребной винт
фиксированного шага с учётом дестабилизирующих воздействий на систему с
целью анализа динамических характеристиках моделируемой системы и обеспечения устойчивости заданных эксплуатационных режимов. Выводится передаточная функция главной энергетической установки (ГЭУ) с использованием подхода «черного ящика» в сочетании со специальными предположениями о
динамике ГЭУ, Выполняется идентификация параметров МОД путем использования математической модели, описывающей рабочие процессы двигателя.
Основными задачами моделирования являются: анализ влияния различных процессов в исследуемой системе на её устойчивость; поиск условий обеспечения устойчивости ГЭУ на режиме длительной номинальной мощности в
условиях сильных возмущающих воздействий; поиск средств обеспечения
устойчивости и повышения эффективности системы в указанных условиях эксплуатации.
В диссертационном исследовании использованы математическая модель
рабочих процессов двигателя, учитывающая процессы накопление газовых
масс за цикл и дифференциальные соотношения между скоростями потоков
воздуха и отработавших газов, а также метод среднециклических значений,
обеспечивающий адекватную точность моделирования.
На основании известных теоретических положений проанализирована
взаимозависимость показателей работы двигателя и турбокомпрессора. Использованная математическая модель процессов в ГЭУ с прямым приводом на греб-
9
ной винт, построенная на модели рабочих процессов дизеля, включает 15 алгебраических и 2 дифференциальных уравнения. Алгебраическими уравнениями описываются: массовый расход воздуха, давление продувочного воздуха,
коэффициент расхода турбины, коэффициент избытка воздуха, среднее эффективное давление, температура продувочного воздуха, температура отработавших газов, массовый расход воздуха, давление отработанных газов, массовый
расход топлива, адиабатический КПД турбины, крутящие моменты турбины,
компрессора и двигателя, момент сопротивления нагрузки винта. Дифференциальные уравнения описывают динамику гребного вала/ двигателя и динамику
вала турбокомпрессора.
Сложность использования модели, с точки зрения эффективного применения численных методов её решения, лежит в алгебраической части, так как
применение итеративного численного метода решения существенно снижает
скорость моделирования. Поэтому, было принято решение об использовании
карт крутящего момента – зависимостей крутящего момента двигателя
Qe (n, nTC , FR ) турбины QT (n, nTC , FR ) и компрессора QC (n, nTC , FR ) соответственно, от
частоты вращения вала двигателя n, вала турбокомпрессора nTC и FR (безразмерной величины цикловой подачи топлива, изменяющейся от 0 до 1).
Результаты моделирования ГЭУ с двигателем MAN Diesel & Turbo 6L60
представлены в виде пяти диаграмм для газодинамических (массового расхода
воздуха, давления отработавших газов) и механических (крутящего момента
двигателя, крутящего момента турбины, момента сопротивления компрессора)
переменных. Каждый набор из пяти диаграмм приводится для конкретного значения частоты n и величины подачи топлива FR (рис. 1).
В результате проведенного анализа сделан вывод, что частота вращения
коленчатого вала МОД не оказывает существенного влияния на указанные переменные, что определяется в основном конструктивными особенностями
МОД. С другой стороны, частота вращения вала турбокомпрессора и нагрузка
двигателя, учитываемая через FR, значительно влияют на все переменные. Так,
при условии наличия достаточного количества воздуха для сгорания, основным
фактором, влияющим на величину крутящего момента двигателя, является величина подачи топлива. В свою очередь, количество воздуха является функцией частоты вращения турбокомпрессора.
Как можно видеть из графиков, существует характерная точка А, в которой крутящий момент двигателя перестает быть нечувствительным к частоте
вращения турбонагнетателя. Согласно проведенным расчётам, эта точка соответствует значениям коэффициента избытка воздуха α=1,2. Поэтому, среднее
эффективное давление и фактически крутящий момент приближаются к линейной зависимости от коэффициента избытка воздуха.
10
Рисунок 1 – Диаграммы значений газодинамических и механических переменных для n =95 мин-1 и FR =85%.
Из полученных диаграмм крутящих моментов на валу со стороны турбины QT (n, nTC , FR ) и компрессора QC (n, nTC , FR ) видно, что линии графиков данных
функций пересекаются в точке С (рис. 1), где наблюдается турбовальное равновесие. Значение частоты вращения вала турбины, соответствующее данной точке равновесия, соответствует, в то же время, участку А-В «плоской» части графика крутящего момента двигателя. Это означает, что частота вращения главного вала стабилизируется на значении, при котором определяемый величиной
топливоподачи крутящий момент двигателя уравнивается моментом сопротивления со стороны гребного винта. Система турбонаддува также находится в
стабильном режиме. При частоте вращения турбины, превышающей частоту,
соответствующую указанной точке равновесия, тормозящий момент нагрузки
со стороны компрессора превышает крутящий момент, создаваемый со стороны
турбины, что заставляет турбонагнетатель восстанавливать равновесную частоту. Обратный процесс возникает для значений частоты вращения турбины ниже
равновесной.
Результаты моделирования показали значительную зависимость значений
расхода воздуха и давления отработавших газов от частоты вращения турбины
и величины топливоподачи. Значения расхода воздуха и давления отработавших газов прямо пропорциональны частоте вращения турбины и величине топливоподачи. При выходе турбины из установившегося режима обе переменные
испытывают быстрое отклонение от номинального значения, демонстрируя нелинейный характер работы двигателя, и зависимость параметров режима его
нормальной работы от режима работы турбокомпрессора.
Обеспечить стабильную работу исследуемой системы, в условиях значительных внешних возмущений, возможно посредством применения соответствующего регулятора частоты вращения и учёта влияния турбокомпрессора на
режим работы дизеля. Для практической реализации такого подхода необходимо обеспечить контроль параметров рабочего процесса МОД, недоступных для
непосредственного измерения штатными средствами, которыми комплектуются
судовые двигатели. К таким параметрам относятся моменты на коленчатом валу и валу турбокомпрессора.
11
Для разработки средств идентификации параметров МОД в данном разделе решается задача вывода передаточной функции исследуемого объекта
управления. При выводе передаточной функции в нашем случае необходимо
учесть два основных аспекта работы морских установок, которые, как правило,
игнорируются с целью упрощения анализа.
Первый аспект касается взаимодействия турбокомпрессора и двигателя, а
именно влияния турбокомпрессора на переходные характеристики последнего.
Учёт данного влияния при описании МОД приводит к нежелательному увеличению порядка динамики объекта на единицу. На практике же эффект турбонаддува на переходные характеристики весьма значителен, в особенности в режиме увеличения частоты вращения. Именно поэтому, как правило, величину
топливоподачи ограничивают ниже определенного значения, которое является
функцией давления продувки.
Анализ показывает, что ПИ(Д)-закон управления, используемый в большинстве регуляторов частоты вращения дизелей, можно использовать до тех
пор, пока верхний предел, рассчитанный для каждого значения давления наддува, не будет превышен. Метод использования давления наддува в качестве
сигнала обратной связи гарантирует, что в цилиндры двигателя подаётся достаточная для полного сгорания топлива масса воздуха. Из уравнений модели
МОД, массовый расход воздуха зависит от соотношения давлений между выпускным коллектором и впускным коллектором, а также значения давления
продувки. Поэтому в каждой установившейся рабочей точке, рассчитав значение давления продувки, можно определить максимальное количество топлива,
гарантирующее наиболее полное его сгорание. Эта величина, в свою очередь,
определяет верхний предел для величины топливоподачи, который может поддерживаться конкретным значением давления продувки. Поэтому, в случае использования ПИ(Д)-закона управления, коэффициент избытка воздуха α устанавливается выше порогового значения, соответствующего полному сгоранию
топлива.
Вторым аспектом, игнорируемым при настройке современных регуляторов частоты вращения, является работа двигателя в условиях экстремальных
флуктуаций момента сопротивления нагрузки со стороны гребного винта, что
корректно только в случае работы судна в спокойной воде. Когда двигатель работает на режиме номинальной мощности в присутствии значительных колебаний момента нагрузки гребного винта, контроль рабочей точки становится
наиболее важным, поскольку режим максимальной длительной мощности расположен довольно близко к верхней границе разрешенного рабочего диапазона,
и значительные колебания нагрузки с высокой вероятностью приведут рабочую
точку в запрещенную зону. Поэтому, во избежание возможной перегрузки двигателя, используется снижение частоты вращения вала, то есть рабочая точка
двигателя намеренно понижается, чтобы обеспечить достаточный запас для колебаний частоты вращения в допустимых пределах. Это является одной из основных причин увеличения массогабаритных показателей главных двигателей,
понижения среднего значения коэффициента их загрузки
Выведенная в работе передаточная функция свободна от указанных недо-
12
статков, так как учитывает переходные процессы и поведение ГЭУ при работе в
области установившейся рабочей точки (в типичном случае – максимальной
длительной мощности) и наличии сильных колебаний момента на валу. Вводится соответствующий сигнал возмущения, отражающий изменения коэффициента момента винта относительно его номинального значения. Кроме того,
учтено влияние турбонаддува на переходный процесс. Передаточная функция
получена с использованием комбинации данных о рабочих характеристиках на
установившемся режиме (заводские характеристики), а также данных, полученных путем математического моделирования двигателя, работающего с динамической нагрузкой. Последнее снимает необходимость проведения измерений на
борту судна для получения характеристик переходных процессов двигателя при
изменении момента сопротивления на его валу, необходимых для уточнения
параметров передаточной функции разомкнутого контура.
В данном разделе использована математическая модель рабочих процессов МОД, обеспечивающая повышенную точность по сравнению с квазиустановившейся среднецикловой моделью. Это необходимо для получения данных,
уточняющих параметры передаточной функции пропульсивной установки.
Описываемая конфигурация пропульсивной установки судна приведена
на рис. 2. В модели учитываются моменты инерции элементов системы со стороны двигателя и гребного винта. Момент инерции двигателя JE (рис. 2) учитывает моменты инерции всех вращающихся (коленчатый вал и кривошипы, маховик и т.д.) и возвратно-поступательных (поршни, штоки и т.д.) частей. Предполагается, что момент инерции двигателя не изменяется от цикла к циклу и,
следовательно, рассматривается как постоянный параметр системы.
Момент инерции гребного винта JP учитывает инерционную характеристику Jвинт лопастей и ступиц, усредненные за один полный оборот (момент
инерции винта «в воздухе»), а также момент инерции увлеченной воды Jводы.
Так как Jводы может быть принят равным 15% Jвинт, то номинальный момент
инерции винта JPО и, как следствие, общий момент инерции системы J0 равны:
(1)
Однако, это только номинальное значение, так как увлекаемая масса воды
значительно изменяется во время работы гребного винта, особенно в сложных
погодных условиях. Этот эффект моделируется путём введения аддитивной неопределенной составляющей J, которая суммируется с номинальным моментом инерцией винта JPO и, как следствие, c J0. В результате имеем:
,
(2)
где J – полный момент инерции системы.
Введением элемента вала с коэффициентом жёсткости KS, учитывается
его упругость.
13
Рисунок 2 – Рассматриваемая конфигурация судовой пропульсивной системы.
В разделе выводятся передаточные функции полного и уменьшенного порядков. При этом, для линейного анализа возмущений производится декомпозиция сигнала топливоподачи FR(t), коэффициента момента нагрузки со стороны винта
и частоты вращения коленчатого вала двигателя n(t):
где
– установившиеся значения соответствующих сигналов;
– составляющие возмущения в соответствующих сиг– изменяющийся во времени коэффициент момента сопроналах; сигнал
, флуктуативления со стороны нагрузки, определяющий, в совокупности с
с учётом вентиляторной
ции момента сопротивления со стороны винта
(в проектной документации судна
характеристики нагрузки
рекомендованная степень вентиляторной характеристике равна 2,0).
, описывающая отношение
Передаточная функция полного порядка
:
изображения частоты вращения вала n(s) к изображению сигнала
,
(3)
где C – коэффициент усиления;
– время запаздывания;
– постоянная
времени турбокомпрессора;
– постоянная времени регулирования топливоподачи.
Время
входит в уравнение момента двигателя и отражает запаздывание впрыска топливной системы, которая фирмой-производителем определяется, как находящаяся в пределах
,
где zc – количество цилиндров МОД.
Блок-схема передаточной функции полного порядка приведена на рисунке 3.
14
Рисунок 3 – Блок-схема передаточной функции полного порядка.
После опущения пренебрежимо малых динамических переменных, передаточная функция объекта с уменьшенным порядком принимает вид:
.
(4)
Данная передаточная функция имеет один устойчивый вещественный полюс, определяемый моментом инерции вала и нагрузкой на валу со стороны
винта, зависящей от частоты его вращения. Структурная схема передаточной
функции пониженного порядка приведена на рисунке 4.
Рисунок 4 – Структурная схема передаточной функции пониженного порядка.
Далее, для приведённых передаточных функций полного и пониженного
порядка предлагается процедура идентификации параметров, которая объединяет данные о рабочих характеристиках производителя и реакцию двигателя,
определяемую с использованием предложенных в работе моделей. Это позво-
15
лит идентифицировать параметры передаточной функции реальной ГЭУ без
проведения тестовых испытаний, предполагающих проведения ряда экспериментов с воздействием на реальный объект возмущающих воздействий в виде
синусоидальных и ступенчатых сигналов как по входам управления, так и со
стороны внешних возмущений.
Так как экспериментальная идентификация параметров трудно реализуема на практике в связи с высокой стоимостью оборудования, жёстким графиком рейсов судов учитывая и необходимостью её периодического повторения,
предложенная процедура идентификации параметров является наиболее рациональной.
В третьем разделе представлена разработка системы управления МОД,
обеспечивающей повышение устойчивости заданных режимов ГЭУ или снижение колебаний частоты вращения вала двигателя в условиях возмущающих
воздействий. При разработке системы учитывалась параметрическая неопределенность, присутствующая в уравнениях состояния, применялась процедура
линеаризации уравнений ГЭУ. Для обеспечения устойчивости установившегося
режима работы СЭУ требуется определение функций вида
QE (t ) = QE (n(t ), nTC (t ), FR (t )) и QTC (t ) = QTC (n(t ), nTC (t ), FR (t )) (5)
=
(t ) QT (t ) + QC (t ) – полный ускоряющий или замедляющий момент,
где QTC
приложенный к валу турбонагнетателя, сочетающий крутящий момент турбины
и компрессора. Обратим внимание, что для всех переменных (крутящий момент, частота вращения и топливоподача) средним значением термодинамического цикла является значение, указанное в приведенных выше выражениях,
что согласуется с результатами, полученными на математической модели разделе 2.
В данном разделе представлен метод, использующий для аппроксимации
функций (5) параметрически неопределённого объекта искусственные нейронные сети (ИНС) (рис. 5). Для аппроксимации каждого из моментов (5) используется своя ИНС.
выходные
сигналы
выходной
слой
скрытый
слой
входной слой
входные сигналы
Рисунок 5 – Структура используемого нейронного аппроксиматора на основе ИНС прямого распространения.
16
Метод использует данные, полученные из модели двигателя (раздел 2).
T
Вектор входов нейронных сетей задан как X =  n nTC FR  .
Нейронные сети были использованы для аппроксимации крутящих моментов, недоступных для непосредственного измерения штатными системами
МОД в условиях эксплуатации. Карты крутящего момента, полученные с помощью математической модели, параметризуются триадой (n, nTC , FR ) . В стандартной математической записи функции аппроксиматоров можно записать как
) QT max ⋅ {v00 + V0 ⋅ Ф(Vb + V ⋅ X )} + QC max , где
QE ( X=
) QE max ⋅ {w00 + W0 ⋅ Ф(Wb + W ⋅ X )} , QTC ( X=
Ф – функция активации скрытого слоя.
Вышеуказанные функции аппроксиматора крутящего момента предоставляют необходимые выражения для завершения описания состояния пространства морской силовой установки. Кроме того, функции
и
диффе,
ренцируемы по интересующему рабочему диапазону. Константы
и
используются в аппроксиматорах соответственно крутящего
момента двигателя и турбокомпрессора для перехода к единицам измерения
крутящего момента на безразмерном выходе нейронной сети. Более того, поскольку выход каждой сети нормализуется в интервале ℑ =[ 0,1] ,
,
и
могут быть приняты равными, соответственно, значению создаваемого
номинального момента двигателя и турбокомпрессора. Практически, им присваивается несколько большее значение, так чтобы нейронная сеть не работала
вблизи области насыщения сигмоидных функций активации. В результате для
T
 n nTC FR  .
момента на валу двигателя имеем условие 0 < QE ( X ) ≤ QE max , ∀X =
и
, используемые в аппроксиВ этом же смысле константы
маторе крутящего момента турбокомпрессора, используются для получения
фактических значений полного крутящего момента
турбокомпрессора. В
и
выбираэтом отношении соответствующие значения констант
ются
так,
чтобы
выполнялось
условие
T
 n nTC FR  . Выбор реализуется с использоваQC max ≤ QTC ( X ) ≤ QT max + QC max , ∀X =
нием карты крутящего момента турбокомпрессора на описанной в разделе 2
модели. Далее были приведены методы количественной оценки неопределенностей, присущих физическим параметрам, появляющимся в аппроксимируемых функциях.
На рисунке 6 приведена структурная схема системы автоматического регулирования частоты вращения МОД, построенная на базе предложенных аппроксиматоров.
17
Рисунок 6 – Структурная схема передаточной функции пониженного порядка.
В четвёртом разделе приведённые выше результаты верифицируются на
данных по силовой установке контейнеровоза. Проводится сравнение расчётных данных с аппроксимируемыми параметрами, приводятся результаты сравнительного анализа переходного процесса в ГЭУ при резком возмущении со
стороны нагрузки для случая штатного регулятора и разработанной системы.
С помощью разработанных моделей пропульсивной установки была
оценена точность работы нейросетевого аппроксиматора. Ошибка
аппроксимированных сигналов (табл. 1 и рис. 7) не превысила 0,8 % для
момента на валу двигателя и 3 % для момента на валу турбонагнетателя.
Рисунок 7 – Результаты моделирования для частоты вращения вала 95
мин-1 и топливоподаче 85%.
На рис.8 представлена структурная схема и размещение регулятора. На
рис. 9 приведены графики реакции системы на возмущение момента на валу
двигателя в виде графиков изменения частоты вращения коленчатого вала
двигателя и положения топливной рейки. В обоих случаях уставка мощности
двигателя имела значение 100% от длительной максимальной мощности.
18
Таблица 1 – Результаты проверки ошибки аппроксимации ИНС
FR (%)
60
65
71
75
80
85
90
95
100
МОД
450,601
489,810
529,060
568,443
607,739
647,118
686,585
726,053
765,519
QE (кНм)
ИНС
450,0277
489,3354
528,6605
568,0799
607,3554
646,8604
686,2248
725,7865
764,9705
ошибка
0,5723
0,4739
0,4009
0,3628
0,3826
0,2586
0,3616
0,2668
0,5501
МОД
3,5503
8,6139
10,5116
9,8706
11,3022
0,1536
4,6504
-6,1996
6,2488
QTC (кНм)
ИНС
2,6491
8,3137
10,0547
9,2472
11,2984
0,0146
3,9372
-6,6692
6,6523
ошибка
0,9013
0,3002
0,4569
0,6235
0,0039
0,1391
0,7133
-0,4696
-0,4035
С нулевой секунды в опыте происходит резкий наброс нагрузки, затем, с
пятой секунды, – резкий сброс. Как видно, в случае использования в системе
управления двигателем штатного ПИ-регулятора, частота вращения
значительно превышает критическую частота вращения 96 мин-1. В случае
применения предложенной системы с ИНС частота вращения не превышала
критических значений, а отклонения мощности от заданной не превышали 4%,
время стабилизации частоты вращения уменьшается в 7-20 раз, а отклонение
частоты вращения от заданной в 2-10 раз.
Рисунок 8 – Размещение регулятора на двигателе и структурная cхема.
Рисунок 9 – Реакция на наброс нагрузки: - - - – штатный ПИ-регулятор; –––
– контроль рабочей точки двигателя.
19
Основные результаты и выводы
Теоретические исследования, выполненные в диссертационной работе,
позволили получить следующие новые результаты:
1. Проанализировано влияние турбокомпрессора на характер переходных
процессов по частоте вращения.
2. Разработанные математические модели пропульсивной установки и
методы идентификации их параметров с минимальным количеством измерений
на физическом объекте позволяют обеспечить корректное определение
моментов на главном валу и валу турбокомпрессора, а также частоты вращения
этих валов в условиях отсутствия штатных измерительных систем для
мониторинга данных параметров.
3.
На
базе
предложенного
аппроксиматора,
использующего
искусственную нейронную сеть, разработаны устройства, обеспечивающие
снижения колебаний частоты вращения малооборотного двухтактного
дизельного двигателя судовой энергетической установки на режимах, близких к
максимальной длительной мощности, при возмущениях со стороны винта в 210 раз и сокращение длительности переходного процесса в 7-20 раз с
обеспечением отклонения мощности от заданной не более чем на 4%, что
подтверждается имитационным моделированием и натурными экспериментами,
проведенными на т/х «Олимпиада».
4. Улучшение качества переходного по частоте вращения процесса и
исключение вероятности перегрузок двигателя обеспечивает повышение
надежности МОД в условиях существенных дестабилизирующих воздействий.
Предложенная система регулирования способна обеспечить сокращение
количества отказов МОД на 12%.
Работы, опубликованные автором в перечне ведущих рецензируемых
научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК:
1. Бордюг А.С. Повышение устойчивости режимов работы малооборотных дизелей в условиях дестабилизирующих воздействий / А.С. Бордюг // Вестник
государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О.
Макарова. – 2017. – №5. – С. 1051-1062.
2. Бордюг А.С. Методы анализа нечетких стохастических процессов судовой
электроэнергетической системы газодизельных двигателей / А.А. Железняк,
И.Л. Титов, А.С. Бордюг // Рыбное хозяйство. – 2016. – № 3. – С. 85–88.
3. Бордюг А.С. Повышение надежности судовых газодизельных двигателей путем использования специализированных программно-аппаратных систем / А.С.
Бордюг // Рыбное хозяйство. – 2016. – № 4. – С. 88-94.
4. Бордюг А.С. Анализ и синтез методов оценки стохастических процессов судовой электроэнергетической системы газодизельных двигателей / А.С. Бордюг
А.А. Масленников, В.А. Доровской // Вестник Астраханского государственного
технического университета. Серия: Морская техника и технология. – 2016. – №
4. – С. 44-53.
5. Бордюг А.С. Моделирование элементов идентификации и контроля параметров системы для интеллектуальной поддержки принятия решений / А.С. Бор-
20
дюг, И.Л. Титов, А.А. Железняк // Вестник Астраханского государственного
технического университета. Серия: Морская техника и технология. – 2016. – №
3. – С. 75-85.
6. Бордюг А.С. Adaptive fuzzy systems on forel class taxonomy / В.П. Щекин, C.Г.
Черный, А.С. Бордюг // Программные продукты и системы. – 2014. – № 4. – С.
114-117.
В других изданиях:
1. Bordiug A. Control system of gas and dual fuel engines of generating units by way
of accuracy increasing of load allocation / V. Zhukov, V. Gavrilov, S. Sokolov, A.
Zhelezniak, A. Bordiug // Proceedings of the 2017 IEEE Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference. –2017. – P. 1112 1115. (SCOPUS)
2. Bordyug A. Increasing efficiency safety of cooling systems in a floating nuclear
power plant / V. Yenivatov, K. Fedorovsky, A. Zhelezniak, A. Bordyug // Journal of
Physics: Conference Series. – 2017. – P. 012182. (SCOPUS)
3. Бордюг А.С. Уточненная математическая модель газодизеля для исследования многогенераторных систем / А.А. Жиленков, С.Г. Черный, И.Л. Титов, А.С.
Бордюг // Датчики и системы. – 2016. – С. 33-41.
4. Бордюг А.С. Методология морских интеллектуальных систем управления
оборудованием буровых платформ азово-черноморского шельфа / А.С. Бордюг
// Сборник научных трудов III Международной научной конференции «Информационные технологии в науке, управлении»: в 2 частях. – Томск, 2016. – С.
126-133.
5. Bordyug A. The increase of ship gas-diesel engines' reliability by means of specialized software and hardware systems use / A. Bordyug // 22nd International Conference on Vibroengineering. – 2016. – P.191-195. (SCOPUS)
6. Bordyug A. Horizon-relative positioning of water transport facility as a part of
multicomponent system / A. Bordyug // 23rd Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems. – Saint Petersburg, 2016. – P. 452-456.
(SCOPUS)
7. Бордюг А.С. Создание лингвистических правил управления судном для повышения надежности работы СЭУ / А.С. Бордюг, В.А. Жуков, А.А. Железняк //
Ежегодная
научно-практическая
конференция
профессорскопреподавательского состава государственного университета морского и речного флота имени адмирала Макарова. – Санкт-Петербург, 2016. – С. 36-44.
8. Бордюг А.С. Повышение безопасности судна путем автоматизации СЭУ системами на базе нечеткой логики / А.С. Бордюг, И.Л. Титов, С.Г. Черный //
Перспективные направления развития отечественных информационных технологий. – Севастополь, 2016. – С. 83-84.
9. Бордюг А.С. Модели пространства образов морских интеллектуальных систем в условиях неопределенности / А.С. Бордюг, И.Л. Титов, В.А. Доровской //
Морское образование: традиции, реалии и перспективы. – Санкт-Петербург,
2015. – С. 75-85.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
15
Размер файла
614 Кб
Теги
условия, надежности, судового, дестабилизирующих, дизель, воздействия, повышения, малооборотного
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа