CONDITIONS OF DRIVE AND DIAGNOSTIC MEASUREMENTS DURING SEA TESTS

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain and Transport Vol.13 No. 4 CONDITIONS OF DRIVE AND DIAGNOSTIC MEASUREMENTS DURING SEA TESTS Adam Charchalis Akademia Morska w Gdyni Wydzia Mechaniczny Ul. Morska GDYNIA tel. (058) Summary The paper presents some problems of carrying out measurements of energetic characteristics and vessel s performance in the conditions of sea examinations. We present the influence of external and atmosphere conditions on the examination results and gas engine characteristics. We also discuss the manner of reducing the results of measurements to the standard conditions. We present the way of preparing propulsion characteristics and the way of its use in the exploitation on the basis of the marine gas turbine engine. The influence of surrounding conditions on the engine performance the influence of weather conditions in this the influence of the temperature of air intake the influence of the change of pressure atmospheric the influence of the change of the atmospheric humidity the reduction of measured values for so called the standard-atmosphere the verification of driving performances in operation driving characterizations are presented in the paper. Moreover the character of changes of the efficiency and the compressor work versus the compression temperature The influence of changes of the atmospheric humidity intake on performances of the turbine-engine Essential values of research of the driving ship system driving performances are represented. Keywords: diagnostics vessel s propulsion systems measurements WARUNKI PRZEPROWADZANIA POMIARÓW NAPDOWYCH I DIAGNOSTYCZNYCH W CZASIE PRÓB MORSKICH Streszczenie Praca przedstawia problematyk przeprowadzania pomiarów energetycznych i osigów okrtu w warunkach bada morskich. Przedstawiono wpyw warunków zewntrznych w tym warunków atmosferycznych na wyniki pomiarów i charakterystyki silnika. Omówiono sposób sprowadzania wyników pomiarów do warunków porównawczych. Przedstawiono metodyk sporzdzania charakterystyk napdowych oraz sposób ich wykorzystania w eksploatacji na przykadzie okrtowych turbinowych silników spalinowych. Wpyw warunków zewntrznych na charakterystyki silnika wpyw warunków atmosferycznych w tym wpyw temperatury powietrz dolotowego wpyw zmiany cinienia atmosferycznego wpyw zmiany wilgotnoci powietrza przeliczanie wartoci zmierzonych do tzw. atmosfery wzorcowej weryfikacja charakterystyk napdowych w eksploatacji charakterystyki napdowe s prezentowane w artykule. Ponadto charakter zmian sprawnoci i pracy sprarki w zalenoci od temperatury i spru wpyw zmian wilgotnoci powietrza dolotowego na charakterystyki silnika turbinowego wielkoci charakteryzujce badania ukadu napdowego statku Charakterystyki napdowe s zilustrowane. Sowa kluczowe: diagnostyka napdy okrtowe pomiary 1. Uwagi wstpne Pomiary wielkoci zwizanych z elementami ukadu napdowego wykonywane na okrtach maj na celu okrelenie aktualnego stanu technicznego elementów napdu gównego lub ocen parametrów ruchowych statku. Pomiary diagnostyczne powinny by wykonywane w sposób

2 A. Charchalis cigy natomiast pomiary majce na celu opracowanie charakterystyk napdowych wykonywane s okresowo np. po zbudowaniu statku przeprowadzeniu remontu elementów ukadu napdowego okrelaniu klasy statku itp. Pomiary napdowe maj na celu ocen prognozy napdowej dla nowobudowanego statku czy te ocen aktualnych osigów statku bdcego w eksploatacji. Bez wzgldu na cel przeprowadzanych pomiarów naley zdawa sobie spraw z tego e statek zawsze pracuje w zmiennych warunkach i warunki te mog mie wpyw na jako i wiarygodno pomiarów. Na zmian warunków pywania wpyw maj parametry zwizane z: - samym statkiem tj. stan zaadowania zuywanie zapasów (zmiana wypornoci) zmiana stanu kaduba rub silników itp. -warunkami hydrometeorologicznymi -rejonem pywania. Ocen rzeczywistych charakterystyk napdowych w eksploatacji przeprowadza si podczas bada okrtu w morzu. 1.Wpyw warunków zewntrznych na charakterystyki silnika Silniki okrtowe pracuj w silnie zmiennych warunkach. Zmiana warunków spowodowana jest cig zmian wypornoci statku a wic i jego zanurzeniem zmian rejonu pywania oraz zmian warunków atmosferycznych. Warunki atmosferyczne maj wpyw na wyniki pomiarów wszelkiego rodzaju silników. Jednake szczególnie istotny jest dla ukadów napdowych z turbinowymi silnikami spalinowymi. Wynika to z bardzo duego strumienia masy powietrza zasysanego przez silnik który moe wynosi do 100 m 3 /s. Dla prowadzenia analiz porównawczych osigów ukadu napdowego statku czy te dla celów oceny diagnostycznej w czasie niezbdnym jest uwzgldnianie zmiany warunków pywania przy opracowywaniu wyników pomiarów. 1.1 Wpyw warunków atmosferycznych Warunki atmosferyczne maj wpyw na osigi kadego rodzaju silnika jednake najwikszy wpyw dotyczy turbinowych silników spalinowych. Turbinowe silniki spalinowe dla zapewnienia odpowiedniego przebiegu procesu roboczego wymagaj duych iloci powietrza. Wspóczynnik nadmiaru powietrza w silniku wynosi Odpowiada to jednostkowemu zapotrzebowaniu powietrza wynoszcemu kg/kwh. Konieczno sprania duej masy powietrza powoduje e istotny jest wpyw zmiany warunków atmosferycznych na prac silnika warunki jego regulacji osigi itp. Istotny wpyw wywieraj zmiany temperatury cinienia i wilgotnoci powietrza które powoduj zmian wasnoci fizycznych tj gsto lepko ciepo waciwe staa gazowa itp. Zmiany osigów silnika spowodowane warunkami atmosferycznymi mog by znaczne i niekiedy mog powodowa niemono zrealizowania odpowiednich osigów silnika Wpyw temperatury powietrza dolotowego Wahania temperatury powietrza dolotowego spowodowane s eksploatacj okrtów w rónych rejonach a nawet strefach klimatycznych rónych porach roku i dnia. Standardowo przyjmuje si e temperatura otoczenia wynosi 288 K. Natomiast dla rejonu Morza Batyckiego mona przyj temperatura otoczenia zmienia si w zakresie K. Tak due wahania temperatury powoduj wyran zmian warunków pracy silnika co musi by uwzgldniane przy ocenie osigów silnika pracujcego w rónych warunkach. Wzrost temperatury powietrza dolotowego powoduje obnienie strumienia masy powietrza z uwagi na zmniejszenie gstoci i w rezultacie obnienie mocy silnika. Take zmianie ulegn inne wielkoci charakteryzujce przebieg procesu roboczego silnika oraz sprawno sprarki. W zakresie 272

3 Conditions of Drive and Diagnostic Measurements During Sea Tests obcie bliskich obliczeniowym wzrost temperatury powietrza powoduje nieznaczny wzrost sprawnoci sprarki. Spowodowane jest to wzrostem prdkoci dwiku i obnieniem liczby Macha co powoduje poprawienie warunków opywu czyli zmniejszenie strat hydraulicznych. Przy obnieniu temperatury powietrza dolotowego spadek sprawnoci sprarki powoduje wzrost jednostkowego zuycia paliwa. Na rys 1. przedstawiono charakter zmian sprawnoci sprarki i jej pracy efektywnej w zalenoci od temperatury powietrza dla rónych spry. Z przedstawionych zalenoci wynika e optymalny spr zarówno dla sprawnoci sprarki jak i jej pracy zmienia si liniowo. Zmiana tych wartoci optymalnych róni si od siebie tym bardziej im rónica temperatur zwiksza si. Rys. 1. Charakter zmian sprawnoci i pracy sprarki w zalenoci od temperatury i spru Fig. 2. The character of changes of the efficiency and the compressor work versus the compression temperature Wpyw zmiany cinienia atmosferycznego Zmiany cinienia atmosferycznego w porównaniu do temperatur s stosunkowo niewielkie. Zmiany cinienia powietrza mog zachodzi w zakresie kpa. Wzgldna zmiana cinienia odniesiona do cinienia standardowego (1013 kpa) wynosi maksymalnie do 10 %. Z tego wzgldu wpyw zmiany cinienia na charakter pracy silnika nie jest tak znaczcy jak temperatury. Zmiana cinienia powietrza i wynikajca z tego zmiana gstoci powietrza na wlocie do silnika prowadzi do proporcjonalnej zmiany cinienia we wszystkich przekrojach kontrolnych silnika. Wzrost cinienia atmosferycznego powoduje zwikszenie masy powietrza i w rezultacie wzrost mocy silnika. Niezmienione pozostaj natomiast temperatury prdkoci obrotowe spre sprawnoci i jednostkowe zuycie paliwa Wpyw zmiany wilgotnoci powietrza Wilgotno powietrza moe si zmienia w bardzo szerokim zakresie od powietrza suchego do zawierajcego nasycon par wodn. Wilgotno istotnie wpywa na osigi pracy silników spalinowych. Zwizane jest to przede wszystkim ze zmian masy powietrza oraz ze zmian parametrów cieplnych powietrza tj. ciepa waciwego i staej gazowej. Wzrost wilgotnoci powietrza prowadzi do wzrostu staej gazowej i w rezultacie do zmniejszenia gstoci powietrza dolotowego. Powoduje to zmniejszenie masowego natenia przepywu powietrza przez silnik. Wpyw zmniejszenia natenia przepywu powietrza jest wikszy ni wzrost ciepa waciwego co powoduje spadek mocy silnika. Powietrze dolotowe do silnika oprócz pary wodnej zawiera te krople wody tzw aerozol morski. Zawarto wody i pary w odniesieniu do masy powietrza suchego okrela stopie zawilenia mh 2o X= mps 273

4 A. Charchalis gdzie mps - masa powietrza suchego. Na rys. 2. przedstawiono przykadow zmian osigów silnika przy zmianie stopnia zawilenia w zakresie Rys.2. Wpyw zmian wilgotnoci powietrza dolotowego na charakterystyki silnika turbinowego Fig. 2. The influence of changes of the atmospheric humidity intake on performances of the turbine-engine 1.2. Przeliczanie wartoci zmierzonych do tzw. atmosfery wzorcowej Zmienne warunki atmosferyczne wystpujce podczas eksploatacji silników okrtowych wymagaj sprowadzenia wyników bada do parametrów tzw. atmosfery wzorcowej (po = kpa i To =28815 K). Zmian temperatury cinienia prdkoci obrotowej i mocy od warunków atmosferycznych prezentuj nastpujce zalenoci : -zredukowana moc silnika P zr = P zm pozm -zredukowane cinienie Tozm p zr = p -zredukowana temperatura T zr = Tzm Tozm -zredukowana prdko obrotowa p zm ozm nzm Tozm nzr = gdzie: P zr p zr T zr nzr - dotyczy parametrów zredukowanych P zm p zm T zm nzm - dotyczy parametrów zmierzonych To p o - parametry otoczenia Weryfikacja charakterystyk napdowych w eksploatacji Ocen rzeczywistych charakterystyk napdowych w eksploatacji przeprowadza si podczas bada okrtu w morzu. Dla penej oceny charakterystyk napdowych naleaoby mierzy: - moment obrotowy na waach napdowych napór rub prdko obrotow waów prdko okrtu oraz zuycie paliwa przez poszczególne silniki. 274

5 Conditions of Drive and Diagnostic Measurements During Sea Tests Badania napdowe w morzu przeprowadzane s w rónych niepowtarzalnych warunkach zewntrznych rónicych si zasadniczo od warunków umownych tzn. tych dla których przeprowadzane s badania modelowe lub liczone s charakterystyki napdowe. W tabeli 1 przedstawiono wielkoci wejciowe zwizane ze statkiem i z warunkami morskimi oraz wielkoci pomiarowe zwizane z ocen diagnostyczn i napdow silników napdu gównego statku. Dla prawidowej oceny wiarygodnoci charakterystyk napdowych uzyskanych podczas prób w morzu istotnym jest oszacowanie przedziaów niepewnoci pomiarowych mierzonych i wyliczonych wielkoci. Sporód mierzonych wielkoci najwiksza niepewno pomiarowa wystpuje przy pomiarze naporu rub oraz momentu obrotowego. Na wielko niepewnoci pomiarowej momentu obrotowego oraz naporu mierzonych metodami tensometrycznymi w pierwszym rzdzie wpyw ma niepewno oceny moduu sprystoci materiau wau która wynosi okoo 4% oraz bd osiowania naklejanych tensometrów przy pomiarze naporu. Tabela 1. Wielkoci charakteryzujce badania ukadu napdowego statku Table 1. Essential values of research of the driving ship system Wielkoci wejciowe Wielkoci mierzone Parametry statku Warunki bada Parametry napdowe Parametry diagnostyczne Wyporno Parametry otoczenia: Prdko statku Prdko obrotowa temperatura cinienie zespoów silnika Zanurzenie Stan morza Prdko obrotowa Przebieg procesu roboczego Przegbienie Sia wiatru Moment obrotowy Cinienie czynnika na wale roboczego Stan kaduba Kierunek wiatru i fali Napór rub Temperatura czynnika roboczego Stan ruby Prd morski Moc napdu Cinienie paliwa i oleju Stan silnika Gboko akwenu Zuycie paliwa Zuycie paliwa i oleju Zadana prdko pywania Kurs statku 2. Charakterystyki napdowe Dla sporzdzenia charakterystyk napdowych niezbdnym jest znajomo: Charakterystyki oporowej kaduba R = f(v). Charakterystyk rub swobodnych. Charakterystyki hydrodynamiczne rub w postaci K T K Q p = f(j) gdzie: wspóczynnik naporu T K T T napór ruby n 2 D 4 n prdko obrotowa ruby D rednica ruby wspóczynnik momentu K Q Q n 2 D 5 Q moment obrotowy - gsto wody p sprawno ruby swobodnej p K K T Q J 2 275

6 J - wspóczynnik posuwu p prdko postpowa ruby. A. Charchalis Charakterystyk silników napdowych N = f(n) Charakterystyki elementów przeniesienia momentu obrotowego: sprawno linii waów lw sprawno przekadni r. Wspóczynniki charakteryzujce wspóprac kaduba i ruby. t wspóczynnik ssania t 1 w wspóczynnik strumienia nadajcego p J Dn R T p w 1. Podstaw do sporzdzenia charakterystyk napdowych jest opracowanie w oparciu o charakterystyki hydrodynamiczne ruby swobodnej jej pola moliwej pracy. Pole to sporzdza si w ukadach wspórzdnych T - n Q - n N - n z zaznaczeniem linii staych wartoci wspóczynników posuwu J oraz prdkoci obrotowej ruby n. Nastpnie nanosi si na odpowiednie wykresy charakterystyki oporowe oraz charakterystyki silnika napdowego odniesione do tych samych miejsc pomiarowych np. stoek ruby lub sprzgo wau wyjciowego silnika dla momentu obrotowego i mocy oraz kadub statku lub stoek ruby dla charakterystyki oporowej i parametrów ruby. Sprowadzenie wyników pomiarów do odpowiedniego miejsca jest istotne w celu uwzgldnienia sprawnoci elementów poredniczcych w przekazywaniu momentu obrotowego oraz sprawnoci kaduba i rub napdowych. Charakterystyki napdowe daj peny obraz prawidowoci doboru elementów ukadu napdowego i umoliwiaj przeprowadzenie oceny wasnoci ruchowych statku. Dla okrtów z kombinowanymi ukadami napdowymi charakterystyki napdowe oraz sposób ich przedstawienia znacznie si komplikuj. Spowodowane jest to tym e: kombinowany ukad napdowy umoliwia szereg sposobów wykorzystania silników napdowych; np. praca samych silników marszowych samych szczytowych czy te ich czna praca; due prdkoci pywania powoduj wysokie obcienie rub; z reguy ruby pracuj w zakresie silnie rozwinitej kawitacji czy te superkawitacji std w charakterystykach hydrodynamicznych rub oprócz wspóczynnika posuwu naley uwzgldni liczb kawitacyjn. Dobre efekty uzyskuje si przedstawiajc charakterystyki napdowe ukadów kombinowanych jako indywidualne Rys 3. Charakterystyki napdowe charakterystyki dla kadego rodzaju silników. Fig. 3. Driving performances Na rys 3 przedstawiono przykadow charakterystyk napdow dla klasycznego napdu statku 276

7 4. Wnioski kocowe Conditions of Drive and Diagnostic Measurements During Sea Tests Dla prawidowej oceny wiarygodnoci charakterystyk napdowych uzyskanych podczas prób w morzu istotnym jest oszacowanie przedziaów niepewnoci pomiarowych mierzonych i wyliczonych wielkoci. Sporód mierzonych wielkoci najwiksza niepewno pomiarowa wystpuje przy pomiarze naporu rub oraz momentu obrotowego. Przeprowadzane badania napdowe w warunkach rzeczywistych na wyniki których istotny wpyw maj warunki zewntrzne tzn. rodowisko bada oraz szeroko rozumiany stan kaduba i ruby mog pozwoli na oszacowanie stanu technicznego caego okrtu tzn. kaduba i ukadu napdowego. Wykonywane okresowo badania pozwalaj okreli wzajemne relacje pomidzy zuyciem paliwa momentem obrotowym prdkoci obrotow oraz prdkoci okrtu. I te relacje mog by wykorzystywane w biecej eksploatacji dla oceny stanu poszczególnych elementów ukadu napdowego przy wykorzystaniu teoretycznych charakterystyk napdowych obliczonych dla ruby i kaduba adekwatnego. W badaniach diagnostycznych kadorazowo naley bra pod uwag stan zaadowania statku a dla okrtów wojennych stan zapasów w tym zapas paliwa który stanowi duy udzia w masie cakowitej statku oraz warunki atmosferyczne i hydrometeorologiczne wykonywania pomiarów. Bibliografia [1] Charchalis A. Diagnozowanie okrtowych silników turbinowych. AMW Gdynia [2] Charchalis A. Podstawy diagnozowania turbinowego ukadu napdowego fregaty. SILWOJ Jurata [3] Charchalis A. Nadzór eksploatacyjny siowni z turbinowymi silnikami spalinowymi PROBLEMY EKSPLOATACJI nr 4/2001. [4] Charchalis A. Opory i pdniki okrtów wojennych AMW Gdynia [5] Charchalis A. Wykorzystanie charakterystyk napdowych ukadów ruchowych okrtów szybkich. XXX Sympozjum DIAGNOSTYKA MASZYN Wgierska Górka [6] Charchalis A. Diagnozowanie ukadów napdowych okrtów w oparciu o pomiar parametrów eksploatacyjnych XXXI Sympozjum DIAGNOSTYKA MASZYN Wgierska Górka [7] Charchalis A. Multi Symptoms System of Diagnosing of Marine Gas Turbines. III International Congress of Technical Diagnostics Poznan [8] Charchalis A. Warunki przeprowadzania i weryfikacji oceny diagnostycznej na okrcie. Diagnosta [9] Charchalis A. Knowledge acquisition for didactic improvement in exploitation of ship power plants. UCEE Gdynia [10] Charchalis A. Conditions of carrying out and verification of diagnostic evaluation in a vessel. UCEE Bangkok