ZESZYTY NAUKOWE NR 1(73) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE. Stanowisko do badań diagnostycznych układu łożyskowania tłokowego silnika spalinowego

Transkrypt

1 ISSN ZESZYTY NAUKOWE NR 1(73) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE EXPLO-SHIP 2004 Zbigniew Korczewski, Leszek Wontka Stanowisko do badań diagnostycznych układu łożyskowania tłokowego silnika spalinowego Słowa kluczowe: tłokowy silnik spalinowy, łożyskowanie silnika, diagnostyka, moc strat mechanicznych Przedstawiono możliwości wykorzystania stanowiska laboratoryjnego silnika S312C do badań diagnostycznych układu łożyskowania. Wnioskowanie o stanie technicznym jest oparte na pomiarach ciśnień wewnątrzcylindrowych w zakresie biegu jałowego silnika. Daje to w rezultacie możliwość wyznaczenia mocy strat mechanicznych jako parametru charakteryzującego dysypację energii wnoszonej z powietrza i paliwa zasilającego. A Test Stand for Diagnostic Examination of a Diesel Engine Bearing System Key words: diesel engine, bearing system, diesel engine diagnosis, power of mechanical losses A laboratory test stand of S312C diesel engine can be used for diagnosing the engine bearing system. Conclusions on the technical state are drawn from indicated pressure measurements at the engine running idle. They are subsequently converted into the power of mechanical losses as a parameter characterising dissipation of energy carried into the engine from feeding air and fuel. 369

2 Zbigniew Korczewski, Leszek Wontka Wprowadzenie Przeznaczenie okrętów wojennych wymusza szczególne warunki użytkowania ich silników napędowych, które cechuje: długotrwała praca silnika na małych i częściowych obciążeniach (często nawet poniżej 25% mocy znamionowej), powodująca odkładanie się nagaru i laków na ściankach przestrzeni roboczych cylindrach oraz wzrost zawilgocenia oleju; częste zmiany obciążenia; krótkie czasy przejścia z pracy na małej mocy do pracy na pełnej mocy wiążące się z częstym przekraczaniem dopuszczalnych obciążeń cieplnych i mechanicznych poszczególnych elementów silnika; praca kadłuba okrętu na fali, powodująca powstawanie dodatkowych naprężeń w elementach silnika. W takich warunkach łożyska układu korbowego, tj. łożyska główne i korbowe, a także łożyska sworznia tłokowego (w artykule również nazywane krótko: łożyskowaniem silnika), poddawane cyklicznym obciążeniom są szczególnie narażone na intensywne zużycie trybologiczne i erozyjne [6, 8]. Wszystko to ma negatywny wpływ na prawidłowy przebieg procesu smarowania, co jest związane z niekorzystnymi zmianami rozkładu ciśnienia hydrodynamicznego i kształtu klina smarnego w łożyskach. Ma to swoje odzwierciedlenie w zwiększeniu momentu tarcia w łożyskach, a to z kolei prowadzi do zwiększenia strat mechanicznych całego silnika. Ze zjawiskiem zawyżonych strat mechanicznych silników wielokrotnie spotykano się podczas badań diagnostycznych silników eksploatowanych w Marynarce Wojennej RP [15]. Istnieje zatem uzasadniona potrzeba doświadczalnego ustalenia, w jakim stopniu zmieniający się stan techniczny łożyskowania silnika wpływa na wzrost strat mechanicznych silnika. 1. Bilans strat mechanicznych tłokowego silnika spalinowego Miarą strat mechanicznych silnika jest sprawność mechaniczna m, zdefiniowana następującą formułą: gdzie: L i praca indykowana, L P p e e e m (1) Li Pi pi 370

3 Stanowisko do badań diagnostycznych układu łożyskowania tłokowego silnika spalinowego L e praca użyteczna, P i moc indykowana, P e moc użyteczna, p i średnie ciśnienie indykowane, p e średnie ciśnienie użyteczne. Wartość sprawności mechanicznej waha się od 0,75 0,90 dla silnika pracującego w warunkach obciążenia nominalnego [2, 12] do zera dla silnika pracującego na biegu jałowym. W praktyce diagnostycznej znacznie wygodniejsze jest używanie pojęcia mocy strat mechanicznych P m, jako mocy traconej na pokonanie oporów tarcia w ruchomych elementach silnika, pokonanie oporów wentylacyjnych oraz na napęd pomocniczych mechanizmów zasprzęglonych z wałem korbowym silnika [14]: P m = P i P e = P TPC + P Ł + P W + P Z (2) gdzie: P TPC moc tracona na pokonanie oporów tarcia w układzie tłok pierścienie tłokowe tuleja cylindrowa (TPC), P Ł moc tracona na pokonanie oporów tarcia w układzie łożyskowania silnika, P W moc tracona na pokonanie oporów wentylacyjnych, P Z moc tracona na pokonanie oporów tarcia mechanizmów pomocniczych zasprzęglonych z wałem korbowym silnika oraz rozrządu silnika. Wygodnie jest również operować wartością średniego ciśnienia tarcia p m, które odpowiada stratom mechanicznym silnika, odniesionym do powierzchni denka tłoka : p m = p i p e (3) Moc strat mechanicznych silnika jest funkcją wielu zmiennych: P m = f(n, T, t o, t w, k) (4) gdzie: n prędkość obrotowa silnika, T moment obrotowy silnika, właściwości fizykochemiczne olejów smarowych, t o temperatura oleju smarowego, t w temperatura wody chłodzącej, k parametry struktury konstrukcyjnej układu TPC, łożyskowania oraz mechanizmów zasprzęglonych i rozrządu silnika. 371

4 Zbigniew Korczewski, Leszek Wontka Poszczególne wartości składowych mocy strat mechanicznych P m rosną znacznie wraz ze wzrostem prędkości obrotowej, a dodatkowo wartości mocy traconej na pokonanie oporów tarcia w układzie TPC P TPC oraz mocy traconej na pokonanie oporów tarcia w łożyskowaniu silnika P Ł, rosną również wraz ze wzrostem obciążenia, lecz w znacznie mniejszym stopniu [12]. Procentowy rozkład mocy strat mechanicznych poszczególnych podzespołów silnika zależy przede wszystkim od konstrukcji silnika. Ich przybliżone wartości obrazuje rysunek 1 [12]. PTPC (50 65%) PW + PZ (10 15%) PŁ (20 25%) Rys. 1. Procentowy rozkład mocy strat mechanicznych w okrętowym tłokowym silniku spalinowym: PTPC moc tracona na pokonanie oporów tarcia w układzie tłok pierścienie tłokowe tuleja cylindrowa (TPC), PŁ moc tracona na pokonanie oporów tarcia łożyskowania silnika, PW moc tracona na pokonanie oporów wentylacyjnych, PZ moc tracona na pokonanie oporów tarcia mechanizmów podwieszonych oraz rozrządu silnika Fig. 1. Percentage distribution of the power of mechanical losses of a diesel engine 2. Metodyka wyznaczania mocy strat mechanicznych oraz średniego ciśnienia strat tarcia Od 1992 roku w Instytucie Technicznej Eksploatacji Okrętów (obecnie Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Okrętów) Akademii Marynarki Wojennej przeprowadza się cykliczne badania diagnostyczne tłokowych silników spalinowych, eksploatowanych na okrętach Marynarki Wojennej RP. Polegają one m.in. na analizie przebiegów ciśnień wewnątrzcylindrowych poszczególnych cylindrów silnika, w tym na wyznaczaniu na ich podstawie średniego ciśnienia indykowanego. Do pomiarów ciśnień wewnątrzcylindrowych wykorzystuje się analizator pracy silnika firmy EAD [1]. Od 2003 roku coraz częściej w użyciu jest znacznie mniejszy i wszechstronniejszy w zastosowaniu rejestrator osiągów i sprawności zespołów napędowych okrętów (rys. 2), zaprojektowany i skonstruowany w Instytucie Konstrukcji i Eksploatacji Okrętów [11]. Rejestrator współpracuje z piezoelektrycznym czujnikiem ciśnienia, firmy Kistler, montowanym na zaworze indykatorowym. W mniejszych silnikach, jeżeli istnieje możliwość montażu czujnika bezpośrednio w głowicy cylindra, wykorzystuje 372

5 Stanowisko do badań diagnostycznych układu łożyskowania tłokowego silnika spalinowego się światłowodowy czujnik ciśnienia firmy Optrand, który cechuje się mniejszymi wymiarami. Od 1997 roku oprócz rutynowego indykowania silników na obciążeniu nominalnym, w celu określenia strat mechanicznych silników indykuje się silniki również na biegu jałowym (oczywiście tam, gdzie jest możliwe rozsprzęglenie silnika). Pomimo, że wartości mocy strat mechanicznych P m rosną wraz z obciążeniem, to proponowana metoda jej wyznaczenia z pomiarów średniego ciśnienia tarcia na biegu jałowym, minimalizuje błędy wyznaczania P m, przez zastosowanie tylko jednej metody pomiaru. Ponieważ na biegu jałowym P e oraz p e przyjmują wartość zero, wówczas równania (2) i (3) przyjmą odpowiednio postać: P m = P i = P TPC + P Ł + P W + P Z (5) p m = p i (6) Analizę błędów wyznaczania średniego ciśnienia indykowanego szczegółowo przedstawiono m.in. w pracach [5, 9]. Rys. 2. Rejestrator osiągów i sprawności zespołów napędowych okrętów wraz z dwoma światłowodowymi czujnikami ciśnienia firmy Optrand Fig. 2. Logger of performance and efficiency of ship power units with two light pipe pressure gauge Optrand 3. Adaptacja stanowiska laboratoryjnego silnika S312C do badań diagnostycznych układu łożyskowania Do badań układu łożyskowania tłokowego silnika spalinowego postanowiono wykorzystać istniejące od lat w Laboratorium Eksploatacji Siłowni Okrętowych Instytutu Konstrukcji i Eksploatacji Okrętów, stanowisko silnika obciążanego hamulcem wodnym typu H3Bis (rys. 3). 373

6 Zbigniew Korczewski, Leszek Wontka Silnik S312C jest silnikiem czterosuwowym, rzędowym, dwucylindrowym o zapłonie samoczynnym z bezpośrednim wtryskiem paliwa. W tabeli 1 przedstawiono dane techniczne silnika. Rys. 3. Stanowisko laboratoryjne silnika S312C wraz z hamulcem wodnym H3bis w Laboratorium Eksploatacji Siłowni Okrętowych Fig. 3. Test stand of S312C diesel engine with H3bis water brake in the Marine Power Plant Operation Laboratory Dane techniczne silnika S312C Technical data of S312C diesel engine Tabela 1 Liczba cylindrów 2 Średnica tłoka 102 mm Minimalna prędkość obrotowa silnika 500 min 1 Skok tłoka 120 mm Stopień sprężania 17 Maksymalna prędkość obrotowa silnika na biegu jałowym 2450 min 1 Moc użyteczna 22,4 kw Jednostkowe zużycie paliwa 265 g/kwh Maksymalny moment obrotowy 100 Nm Kąt wyprzedzenia wtrysku paliwa 30 OWK przed GMP O wyborze tego silnika do badań zadecydowała przede wszystkim mała liczba cylindrów, a co się z tym wiąże, mała liczba łożysk głównych (trzy, w tym jednooporowe) i korbowych (dwa). Poza tym wymiana panwi łożyskowych jest stosunkowo łatwa, chociaż czasochłonna. Ponieważ wał korbowy wisi na dolnych pokrywach łożysk głównych, wymiana panewek może odbywać się tylko pojedynczo. Półpanew dolną łożyska głównego oporowego wraz 374

7 Stanowisko do badań diagnostycznych układu łożyskowania tłokowego silnika spalinowego z dolną pokrywą przedstawia rysunek 4. Niebagatelne znaczenie ma również skład chemiczny stopu łożyskowego, z którego zostały wykonane wszystkie półpanwie. Jest nim stop miedzi (70%) i ołowiu (30%). Jest to o tyle istotne, że oba wymienione pierwiastki są doskonale wykrywalne w oleju smarowym metodą analizy spektralnej, która może służyć jako weryfikacja wyników badań diagnostycznych układu łożyskowania silnika. Rys. 4. Półpanew dolna wraz z dolną pokrywą łożyska oporowego silnika S312C Fig. 4. Down half sleeve of a main thrust bearing with a cap bearing of S312C diesel engine Rys. 5. Czujnik ciśnienia światłowodowy typu C31294 Q firmy Optrand wkręcony w głowicę silnika Fig. 5. C31294 Q light pipe pressure gauge Optrand in a cylinder head 375

8 Zbigniew Korczewski, Leszek Wontka Silnik nie jest wyposażony w zawory indykatorowe, jednak do rejestracji przebiegów ciśnień wewnątrzcylindrowych zostały wywiercone otwory w głowicy, w które bezpośrednio są wkręcone czujniki ciśnienia (rys. 5). 4. Badania wstępne wpływu stanu technicznego łożyskowania silnika na jego straty mechaniczne W końcu 2003 roku wykonano na stanowisku silnika S312C badania wstępne, mające na celu ustalenie, czy wpływ zmian stanu technicznego układu łożyskowania silnika na jego straty mechaniczne jest na tyle duży, że wpłynie to istotnie na wielkość wyznaczonego średniego ciśnienia strat tarcia i mocy strat mechanicznych silnika. W tym celu wykonano dwie serie badań. Pierwszą serię badań przeprowadzono dla silnika z panwiami łożysk głównych i korbowych zamontowanymi do tej pory na silniku. Silnik z tymi łożyskami przepracował wcześniej jedynie kilkadziesiąt godzin. Stan ten przyjęto jako stan pełnej zdatności (s Z). Przed przeprowadzeniem drugiej serii badań wymieniono wszystkie panwie łożysk głównych i korbowych na pozyskane w tym celu panwie z innego silnika tego samego typu, jednakże po przepracowaniu około godzin. Ponieważ po wymianie luz w większości łożysk przekroczył wartość dopuszczalną w eksploatacji, oraz na warstwie ślizgowej panwi były widoczne grube wyżłobienia i rysy będące objawem zużycia ściernego (rys. 6), stan ten uznano jako stan całkowitej niezdatności (s N). W każdej z serii indykowano silnik pracujący na biegu jałowym podczas podgrzewania i rejestrowano temperaturę oleju smarowego w silniku. W tym celu posłużono się uniwersalną sondą temperaturową typu K, zanurzoną w oleju smarowym w misie olejowej silnika. Należy dodać, że bieg jałowy jest tu rozumiany szeroko jako praca silnika bez wytwarzania pracy użytecznej, lecz przy różnych prędkościach obrotowych. Serie pomiarowe powtarzano dla reprezentatywnych prędkości obrotowych wału korbowego silnika, praktycznie w całym jego zakresie: 500 obr/min, 1000 obr/min, 1500 obr/min i 2000 obr/min. Wyniki pomiarów przedstawiono na rysunku 7. Wstępne wyniki pomiarów dają podstawę, żeby stwierdzić, że stan techniczny łożyskowania silnika wpływa na straty mechaniczne silnika. Jest to szczególnie widoczne przy dużych prędkościach obrotowych i wysokiej temperaturze oleju smarowego. Ponieważ temperatura oleju mierzona w misie olejowej nie jest wystarczającym odzwierciedleniem stanu cieplnego silnika tłokowego, w celu jego jednoznacznego określenia postanowiono zdemontować kolejno wszystkie łożyska główne silnika i wywiercić dodatkowe otwory, przez które wprowadzono czujniki temperatury panwi łożysk głównych tak, aby po zmontowaniu łożyska dotykała dolnej półpanwi łożyska (rys. 8, strzałką zaznaczono końcówkę sondy). Dodatkowo postanowiono wyposażyć silnik w sondy 376

9 Stanowisko do badań diagnostycznych układu łożyskowania tłokowego silnika spalinowego temperaturowe typu K, mierzące temperaturę wody chłodzącej w pobliżu każdej cylindrowej. a) b) Rys. 6. Dolna półpanew trzeciego łożyska głównego: a) po kilkudziesięciu godzinach pracy silnika stan pełnej zdatności, b) po godzin pracy stan całkowitej niezdatności Fig. 6. Down half sleeve of the third main thrust bearing: a) after approx 60 working hours, b) after working hours P m [kw] s N 298 K s Z s N 318 K s Z s N 358 K s Z n [min -1 ] Rys. 7. Zależność mocy strat mechanicznych silnika S312C w funkcji prędkości obrotowej silnika dla dwóch różnych stanów technicznych łożysk głównych i korbowych (sz stan pełnej zdatności, sn stan całkowitej niezdatności) i różnych temperatur oleju smarowego Fig. 7. Power of mechanical losses of S312C diesel engine vs. diesel engine speed for two different technical states of the bearing system (sz total capability state, sn total incapability state) and various lubricating oil temperatures 377

10 Zbigniew Korczewski, Leszek Wontka Rys. 8. Dolna pokrywa łożyska głównego silnika S312C z wprowadzoną przez nawiercony otwór sondą temperaturową typu K Fig. 8. A bearing cap of a S312C diesel engine with K thermoelement Aktualnie jest przygotowywany eksperyment czynny na tym stanowisku, mający na celu określenie wpływu stanu technicznego układu łożyskowania silnika i pozostałych obserwowanych parametrów na wielkość strat mechanicznych silnika, po zastosowaniu półpanwi o różnym (jakościowo i ilościowo) stanie degradacji. Wnioski 1. Wybór stanowiska silnika S312C do badań diagnostycznych układu łożyskowania dobrze prognozuje jego dalsze wykorzystanie, o czym świadczą wyniki badań wstępnych. Wymaga ono jednak drobnej modernizacji, polegającej na wyposażeniu silnika we wspomniane sondy temperaturowe, jak również na dodaniu układu ich ciągłej rejestracji. 2. Z badań wstępnych wynika, że intensywność procesu degradacji układu łożyskowania silnika można ocenić, przeprowadzając indykowanie cylindrów, tylko przy ściśle określonych warunkach pracy silnika przy pracy silnika na zimnym oleju praktycznie nie obserwuje się zmian mocy strat mechanicznych silnika. 3. Stanowisko badawcze silnika S312C może w przyszłości posłużyć do badań diagnostycznych nie tylko układu łożyskowania, ale również wpływu 378

11 Stanowisko do badań diagnostycznych układu łożyskowania tłokowego silnika spalinowego stanu technicznego pozostałych układów funkcjonalnych na straty mechaniczne silnika. Literatura 1. Bruski S., Polanowski S., Łutowicz M., Żuralski C., Analizatory ciśnień i obwiedni drgań do diagnozowania silników okrętowych i lokomotywowych. Eksploatacja silników spalinowych o zapłonie samoczynnym cz. 1 A, AMW, Gdynia Heywood J. B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw Hill Book Company. Series in Mecanical Engineering, Łutowicz M., Polanowski S., Wontka L., Diagnozowanie strat ciśnienia w cylindrach silników tłokowych, Sympozjum Krajowe nt.: Silniki spalinowe w zastosowaniach wojskowych, Jurata Łutowicz M., Polanowski S., Wontka L., Pozyskiwanie informacji diagnostycznej z przebiegu sprężania w tłokowych silnikach okrętowych, Materiały XXVII Ogólnopolskiego Sympozjum Diagnozowania Maszyn, Węgierska Górka Łutowicz M., Badanie błędu pomiaru średniego ciśnienia indykowanego silnika okrętowego, Zeszyty Naukowe AMW 2/ Kozłowiecki H., Łożyska tłokowych silników spalinowych, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa Łuczak A., Mazur T., Fizyczne starzenie elementów maszyn, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa Piaseczny L., Technologia naprawy okrętowych silników spalinowych, Wydawnictwo Morskie, Gdańsk Polanowski S., Błędy pomiaru średniego ciśnienia indykowanego metodami cyfrowymi silników okrętowych w warunkach eksploatacji, Konferencja Naukowo-Techniczna Explo-Diesel 98, Szczecin Polanowski S., Wontka L., Niektóre możliwości oceny obciążenia tłokowych silników okrętowych i strat w układzie napędowym drogą pomiaru mocy indykowanej, Materiały XXI Sympozjum Siłowni Okrętowej SymSO Sprawozdanie z pracy naukowo-badawczej pt.: Badania wpływu czynników eksploatacyjnych na osiągi i sprawności zespołów napędowych okrętów w Polskiej Marynarce Wojennej, Akademia Marynarki Wojennej, Gdynia Wajand J. A., Silniki o zapłonie samoczynnym, Wydawnictwo Naukowo- Techniczne, Warszawa Włodarski J. K., Eksploatacja maszyn okrętowych. Tarcie i zużycie, Wyd. Wyższa Szkoła Morska, Gdynia

12 Zbigniew Korczewski, Leszek Wontka 14. Włodarski J. K., Okrętowe silniki spalinowe, podstawy teoretyczne, Wyd. Wyższa Szkoła Morska, Gdynia Wontka L., Możliwości wykorzystania ciśnień wewnątrzcylindrowych do oceny stanu technicznego łożyskowania okrętowego tłokowego silnika spalinowego w eksploatacji, Zeszyty Naukowe AMW 2/2003. Recenzenci dr hab. inż. Piotr Bielawski, prof. AM prof. dr hab. inż. Stefan Żmudzki Wpłynęło do redakcji w lutym 2004 r. Adresy Autorów dr hab. inż., kmdr Zbigniew Korczewski, prof. AMW Leszek Wontka Akademia Marynarki Wojennej Instytut Technicznej Eksploatacji Okrętów ul. Śmidowicza 69, Gdynia 380