Кончаков Е.И. Техническая диагностика судовых энергетических установок

Подождите немного. Документ загружается.

180

190

200

210

220

230

240

250

40 50 60 70 80 90 100

нагрузка, %

нормальное сопло коксование сопла зррозия сопла

Рис. 17. Зависимость удельного расхода топлива от состояния сопла

Эрозия и коксование сопла заметно влияют на температуру. Зависимость

температуры головки цилиндра от неисправностей показана на рис. 18.

Рис. 18. Зависимость температуры головки цилиндра от неисправностей:

1− эрозия сопла, 2 − нормальное состояние, 3 − сопло закрывается неплотно,

4 − коксование форсунки (сопла)

Определение плотности выхлопных газов

Неполное сгорание топлива приводит к повышению плотности выхлоп-

ных газов. Сильное влияние оказывает коксование сопла. Зависимость плотно-

сти выхлопных газов от неисправностей приведена на рис. 19.

Рис. 19. Зависимость плотности выхлопных газов от неисправностей:

1− нормальная работа; 2 − область неисправностей: сопло закрывается неплотно,

увеличен вход впускного клапана, снизилось давление открывания сопла;

3 – сопло закоксовалось

При измерении плотности выхлопных газов для диагностирования нужно

обращать внимание на имеющуюся зависимость плотности газов от мощности

двигателя, так как при частичной нагрузке не происходит оптимального сгора-

ния топлива. Анализировать необходимо отдельно каждый цилиндр.

Начало и угол впрыскивания. Часто в качестве диагностического пара-

метра используется давление впрыскивания. Датчик давления подсоединяется

либо к топливному трубопроводу, либо к клапану подачи топлива. Иногда дав-

ление определяют по деформации топливного трубопровода. Почти все неис-

правности в системе подачи топлива влияют на начало впрыска α

нв

и на угол

впрыскивания α

− продолжительность впрыска (табл. 4. и рис. 20).

Таблица 4

Степень влияния неисправностей на α

нв

и α

Влияние

Деталь Неисправность

нв

Износ Слабое Слабое

Установка с упре-

ждением

Сильное Отсутствует

Кулачок

Установка с запаз-

дыванием

Слабое Отсутствует

Напорный клапан

насоса

Неплотность седла Слабое Слабое

Плунжер-вкладыш Люфт, неплотность Слабое Слабое

Игольчатый клапан Постоянно открыт Очень сильное Очень сильное

Поломка Очень сильное Очень сильное

Ослабление Сильное Сильное

Пружина клапана

Пережатие Слабое Слабое

Полость под давле-

нием

Негерметичность Слабое Слабое

Напорный трубо-

провод

Негерметичность Слабое Слабое

Рис. 20. Зависимость угла начала впрыскивания от различных неисправностей:

1− давление открывания сопла понизилось; 2 − направляющая иглы форсунки

разбита; 3 − нормальная работа сопла; 4 − давление открывания сопла повысилось

Виброакустические методы измерений

Неисправности, которые, влияя на процесс горения, изменяют вибрацию

двигателя, можно выявить виброакустическими методами измерений. При этом

необходимо учитывать зависимость сигнала от частоты вращения. На рис. 21

показано влияние состояния кольца на вид характеристики вибросигнала.

Рис. 21. Влияние состояния кольца на вид характеристики вибросигнала:

а) нормальная работа; б) неисправное кольцо (сигнал смещается к ВМТ)

Степень влияния различных неисправностей на интенсивность шума в

камере сгорания приведена в табл. 5.

Таблица 5

Степень влияния различных неисправностей на интенсивность

шума в камере сгорания

Состояния системы подачи топлива

Начало шума в

градусах до ВМТ

Конец шума в граду-

сах п. КВ после ВМТ

Нормальная работа 12 3,5

Коксование сопла 17 6

Давление открывания сопла понизилось 13 2,2

Ход впускного клапана увеличился 13 3,5

Значительное влияние на характеристики процесса сгорания оказывает

цетановое число топлива. На рис. 22. приведена эта характеристика.

Рис. 22. Зависимость изменения давления в цилиндре от воспламеняемости топлива -

цетанового числа

3.4. Подсистема наддув

Уменьшения количества поступающего воздуха, давления наддува и по-

вышение температуры воздуха отрицательно влияют на q

и N

и вызывают по-

вышение температуры головки цилиндра, что показано на рис. 23

Рис. 23. Зависимость температуры T

головки цилиндра от температуры

вдуваемого воздуха

Подсистема охлаждения

Изменения в подсистеме охлаждения воздействует главным образом на темпе-

ратуру деталей двигателя. Проводимые в целях диагностики измерения темпе-

ратуры головки и стенок цилиндра могут быть использованы лишь при соблю-

дении заданных параметров системы охлаждения. Особенно это касается тем-

пературы охлаждающей воды и возможного ухудшения коэффициента тепло-

проводности из-за

появления отложений на стенках цилиндра.

Подсистема наддув

Увеличения среднего эффективного давления достигают за счет повыше-

ния наддува.

При этом термическая нагрузка на двигатель, прежде всего на

ЦПГ, возрастает с увеличением давления наддува, как показано на рис. 24.

Подсистема наддува имеет наибольшее количество отказов, оказывает

значительное влияние на q

, стоимость ремонта и обслуживания, готовность

двигателя к работе – что определяет важность диагностики данной подсистемы.

Типичные неисправности. Для турбины: механическое повреждение ло-

паток посторонними предметами, например обломками поршневых колец; виб-

рация лопаток; загрязнение; особенно при использовании тяжелых топлив; кор-

розия корпуса турбины на интенсивно охлаждаемых поверхностях из-за пере-

хода точки росы при работе на тяжелом топливе, загрязнение корпуса.

Рис. 24. Увеличение среднего эффективного давления МОД за счет наддува:

1− наддув отсутствует, 2 − одноступенчатый наддув, 3 − двухступенчатый

наддув

Для подшипников качения: износ и усталость материала, для системы

«компрессор– входной фильтр – загрязнение воздухом», для воздухоохладителя

– загрязнение воздухом и водой, коррозия и утечки воздуха. В общем числе от-

казов турбокомпрессора первое место занимают отказы подшипников.

Схема неисправностей подшипников качения

Неисправности подшипников

Ошибки

монтажа

Вибра-

ционные

Повреждения

при монтаже

Коррозия

металла

Перегрев

подшип-

ников

Усталость

материала

Износ

Неисправности, возникающие во время работыНеисправности, не связанные с работой

Повреждения подшипников могут определяться с помощью измерения

параметров, характеризующих вибрацию деталей и узлов. Изнашивание вызы-

вает сильное изменение траектории смещений центра вала и появление удар-

ных импульсов вследствие нарушений процесса проектирования роликов по

кольцу.

Рис. 25. Траектории центра масс вала: а) − новый подшипник, радиальное биение

23 мкм; б) − внутреннее кольцо с питтинговым участком длиной 10 мкм; в) − общее

поражение питтингом элементов подшипника

На рис. 26 показана зависимость спектра вибраций от неисправности

“питтинг” на дорожке внешнего кольца. Траекторию центра тяжести вала (ли-

нию) определить в условиях судна затруднительно. Вибрацию подшипника за-

мерить проще.

Рис. 26. Зависимость спектра вибраций от неисправности “питтинг”

на дорожке внешнего кольца: 1 - питтинговый участок длиной 10 мкм; 2 − общее

поражение питтингом элементов подшипника

Но в реальных условиях судна спектры будут подвержены влиянию дру-

гих многочисленных источников вибрации. Указанное на рисунке повреждение

(линия на дорожке внешнего кольца) можно оценить количественно.

Частота последовательности импульсов при перекатывании роликов че-

рез лунку

=z n/(1+r

вн.

где Z – число роликов (шариков); n – частота вращения внутреннего кольца;

– радиус дорожки внешнего кольца; r

вн

– радиус дорожки внутреннего коль-

ца. Характеристики радиально

− упорного шарикоподшипника 6206 по стан-

дарту TGL2981(ГДР) приведены в таблице 6.

Применение виброакустических методов измерения позволяет опреде-

лить наряду с повреждениями подшипников следующие неисправности турбо-

компрессоров: дисбаланс статический и динамический роторов, повреждения

лопаток (трещины, износ), наличие внутри турбокомпрессора инородных тел.

Таблица 6

Характеристики радиально - упорного шарикоподшипника 6206

по стандарту TGL2981(ГДР)

Частота Гц

Частота вращения мин

-1

Расчет эксперимент

Погрешность

1000 52,2 50 4,1

2000 104,4 106 4,2

3000 156,6 143 8,6

Определение состояния двигателя с помощью бесконтактных акустиче-

ских измерений ненадежно вследствие высокого уровня помех. Следует учиты-

вать и такие причины появления шума, как уровень посадки подшипника, вид

смазки, монтажа.

Лучшие результаты при диагностировании получаются с помощью ульт-

развука. Диапазон частот

> 20 кГц, это значительно выше, чем диапазон воз-

мущающихся сил. Из-за высокого коэффициента демпфирования колебаний на

таких частотах, помехи, вызванные воздействием окружающих условий на

ультразвук, практически не влияют.

Радиоактивные методы измерений. Можно этим способом определить со-

стояние подшипников. После активизации исследуемых деталей, которые под-

вержены износу, в смазочном масле выявляются и оцениваются количественно

продукты изнашивания деталей. В условиях судна этот способ дорогой.

Эндоскопия. Позволяет осуществить наблюдение и распознавание неис-

правностей турбокомпрессора: повреждения лопаток, коррозию корпуса, по-

ломку подшипников (сепараторов, колец уплотнения). Проникновение в корпус

через специальные, перекрываемые отверстия.

Термодинамический метод. Оценивать состояние можно с помощью из-

мерения тепловых параметров: температуры, давления. Степень засорения воз-

душного фильтра можно ценить по перепаду давления:

∆Ρ

= f (S, Р

, Т

в)

где S − проходное сечение фильтра Р

; Т

−

давление и температура окружаю-

щего воздуха; m

– массовый расход воздуха. Состояние компрессора характе-

ризуется степенью повышения давления

, КПД компрессора η

, массовым

расходом воздуха m

, частотой вращения компрессора n

. Для оценки работо-

способности компрессора необходимо определить следующие параметры: Р

, Т

нк,

в,

, Р

н.к.

, где Т

нк

= Т

вх

– температура на выходе из компрессора, равная

температуре на входе в воздухоохладитель. Р

н.к.

− давление воздуха на выходе

их компрессора.

Состояние воздухоохладителя характеризуется соотношением давлений

охл

= Р

хол

/Р

н.к.

где Р

хол

− давление воздуха на выходе из охладителя. А также показателем ра-

боты воздухоохладителя

Ф = Т

вх

– Т

/Т

вх

– Т

в.вх

где Т

– температура воздуха на выходе из охладителя, Т

в.вх

– температура ох-

лажденной воды на входе.

Для оценки состояния воздухоохладителя требуется определить следую-

щие параметры: m

, ∆Р

хол

, ∆Р

м.в.

, ∆Т

м.в.

, где ∆Р

хол

– разность давлений

воздуха в охладителе; а

∆Р

м.в.

– разность давлений воды; ∆Т

– разность темпе-

ратуры воздуха.

Состояние газовой турбины характеризуется коэффициентом падения

давления в турбине

– КПД турбины η

. Параметры для оценки её состояния:

в.т.

, Т

в.т.

, Р

н.т.

, n

, где Р

в.т.

, Р

н.т.

– давление на входе и выходе турбины; Т

в.т.,

н.т.

–

температура газа на входе и выходе турбины.

Не все эти параметры измеряются на современных автоматизированных

судах. Применение этого метода связано с широким внедрением новой измери-

тельной и вычислительной техники (например для определения расходов).