DIAGNOZOWANIE OKRĘTOWEGO UKŁADU NAPĘDOWEGO Z TURBINOWYMI SILNIKAMI SPALINOWYMI

Transkrypt

1 acta mchanica t automatica, vol.3 no.3 (2009) DIAGNOZOWANIE OKRĘTOWEGO UKŁADU NAPĘDOWEGO Z TURBINOWYMI SILNIKAMI SPALINOWYMI Andrzj GRZĄDZIELA * * Akadmia Marynarki Wojnnj, Wydział Mchaniczno-Elktryczny, ul. inż. J. Śmidowicza 69, 8-03 Gdynia a.grzadzila@amw.gdynia.pl Strszczni: W artykul przdstawiono propozycję mtodyki ocny dynamiki okrętowgo układu napędowgo z silnikami turbinowymi LM 2500 z wykorzystanim systmów DGPS i EGNOS. Rozpatrzono wytypowan paramtry ksploatacyjn oraz ich powiązani z przyspisznim, prędkością i drogą okrętu w stani niustalonym. Scharaktryzowano sposób prztwarzania i gromadznia danych oraz omówiono powstał przy pomiarz błędy a takż przprowadzono dyskusję nad przydatnością obu systmów dla pozycjonowania jdnostki.. TĘP Ocna stanu tchniczngo okrętowgo układu napędowgo stanowi podstawę do uzyskania nizbędnych dokumntów crtyfikacyjnych zarówno przy nowo budowanych jdnostkach jak i dla statków rmontowanych. Próby tchniczn silników ralizowan są podczas pracy na uwięzi (na tzw. palu) oraz w warunkach morskich. Clm prowadzonych badań jst: wryfikacja podstawowych paramtrów tchnicznych okrętu będących przdmiotm zamówinia armatorskigo; ocna jakości wykonanych czynności rgulacyjnych i naprawczych w zakrsi silników napędu główngo, pracy pędnika oraz czystości (chropowatości bzwzględnj) kadłuba okrętowgo; zdolności układu napędowgo do krótkotrwałj pracy przy przciążniu. Przdstawion zadania ralizowan są w ustalonych stanach obciążń. Próby stoczniow na uwięzi są praktyczni tylko pomiarami tstowymi mającymi na clu sprawdzni i dopuszczni jdnostki do prób morskich. Badania w morzu są wykonywan na otwartych akwnach lub na tzw. mili pomiarowj. Prowadzon pomiary w kursi i kontrkursi mają na clu okrślni maksymalnj trwałj prędkości przy jdnoczsnym sprawdzniu zakrsu paramtrów ksploatacyjnych lmntów transmisji momntu obrotowgo. Badania są często obarczon dużymi błędami wynikającymi z tolrancji przyrządów pomiarowych. Innym problmm jst brak jdnoznaczni idntyfikujących stan tchniczny lmntów układu napędowgo procdur dla ocny pracy jdnostki w stanach niustalonych. Zakrs badań zdawczych objmuj zagadninia zmian paramtrów tchnicznych silników w zakrsi tzw. pola paramtrów kontraktowych przy jdnoczsnj kontroli rozwinięcia przz silnik lub silniki kontraktowj mocy ciągłj rysunk. 2. ANALIZA PARAMETRÓW EKSPLOATACYJNYCH OKRĘTOWEGO UKŁADU NAPĘDOWEGO Przdstawiona na rysunku charaktrystyka pracy silnika turbinowgo jst dokumntm na podstawi, którgo dokonuj się ocny stanu tchniczngo silnika w stanach ustalonych. Momnt i moc zapotrzbowaną przz pędnik śrubowy można okrślić w postaci zalżności (Charchalis, 200; Wojnowski, 998): M = k ρ n D. () M 2 5 N = 2 π M n = 2 π k ρ n D. (2) 3 5 S M gdzi: k M bzwymiarowy współczynnik momntu; ρ gęstość wody (dla Bałtyku Południowgo ρ=025 kg/m 3 ; D śrdnica śruby ; M momnt zapotrzbowany [Nm]; N S moc na stożku śruby [W], n prędkość obrotowa śruby [obr/s]. Zakładając wstępni, ż śruba ma stałą śrdnicę D = idm oraz ż pracuj w ośrodku o stałj gęstości, nalży zauważyć, ż momnt zapotrzbowany przz pędnik zalży od kwadratu prędkości obrotowj n oraz bzwymiarowgo współczynnika momntu k M, który z koli zalży od bzwymiarowgo współczynnika posuwu okrślongo jako: vp J =. (3) D n gdzi: v p postępowa prędkość śruby względm wody. Badania ksprymntaln dowiodły, ż w stanach ustalonych dla podobnych wyporności kadłuba oraz przy podobnych warunkach pogodowych iloraz v p /n jst prawi nizminny, co w analizi stanów ustalonych skutkuj twirdznim, ż przy stałj prędkości pływania można przyjąć uproszczni, ż J=idm oraz k M = idm rysunk 2 (Kruppa, 976). Nalży jdnak zauważyć, ż większość kolizji morskich następuj w trakci manwrowania, a więc poza stanami ustalonymi. Zatm modlowani oraz badania 23

2 Andrzj Grządzila Diagnozowani okrętowgo układu napędowgo z turbinowymi silnikami spalinowymi morski zachowania się układu kadłub silnik śruba w stanach niustalonych pozwalają ni tylko na wryfikację przyjętych uproszczń, al przd wszystkim skutkować mogą prognozowanim zachowania się jdnostki podczas awaryjnych manwrów np. CAŁA NAPRZÓD CAŁA TECZ, a takż umożliwić mogą obsrwację charaktrystycznych paramtrów diagnostycznych w procsi akclracji i dclracji. Rys.. Przykładow pol pracy okrętowgo silnika turbinowgo Procsy zwiększania prędkości pływania okrętów odbywają się zawsz przy włączonym napędzi śruby i dlatgo nizalżni od rozwiązań konstrukcyjnych analiza procsu moż być podobna. Po uwzględniniu zalżności () i (2) równania dynamiki ruchu okrętu przyjmą postać: k k k ( m+δ m) = T R( v) M = ( M + M ). (4) i i s t dt i= i= i= gdzi: R opór okrętu, T napór pędnika, M s momnt silnika/ów napędu główngo, M t momnt oporowy (występują z znakim minus); m masa okrętu, Δm masa wody towarzyszącj. Dla przyspiszania okrętu powinna występować nadwyżka rzczywistj siły naporu nad wilkością oporu pływania w stani ustalonym. Z koli wilkość siły naporu (5) zalży od zapotrzbowango momntu śruby, który przdstawia zalżność (). T = k ρ n D. (5) T 2 4 Dla śrub o skoku ustalonym wzrost prędkości pływania moż być ralizowany tylko poprzz zwiększani prędkości obrotowj silnika napędowgo i tym samym prędkości obrotowj śruby, co uzyskuj się to poprzz zwiększni ilości paliwa dostarczango do silnika w jdnostc czasu. Im większy będzi nadmiar rzczywistj sił naporu śruby T wobc wilkości oporu pływania R, tym krótsz będą czasy oraz drogi manwru rysunk 3. Aby okrślić wilkości liczbow analizowanych paramtrów przdstawiono j w postaci analitycznj. Posłużono się pirwszym z równań (4) uwzględniając, ż: k v ( m+δ m) = Ti R( v). (6) ds = i 24

3 acta mchanica t automatica, vol.3 no.3 (2009) Równani (6) po scałkowaniu w przdzial prędkości, tzn. równani procsu przyspiszania od v do v 2, przyjmi postać: v v m m T R ds. (7) 2 ( +Δ ) = ( v ) Z równania (7) wynika, ż w czasi przyspiszania statku, akumulowana przz nigo nrgia kintyczna ruchu wzrasta kosztm nadmiaru siły naporu śrub ΣT wobc wilkości jgo biżącgo oporu R. Czas manwru w funkcji naporu śrub napędowych można uzyskać z pirwszgo z równań (4). Jst to czas przyspiszania od prędkości v do v 2. Po przkształcniu otrzymano: dt = ( m +Δ m), t = ( m +Δm). (8) T R v T R By uzyskać wilkość drogi manwru pomnożono pirwsz z równań (8) przz prędkość pływania v. Uzyskano w tn sposób drogę przbytą przz okręt w czasi przyspiszania go od prędkości v do v 2. Po dalszych przkształcniach uzyskano: v ds = v dt = ( m +Δm) T R. (9) v s = ( m+δm) v T R Rys. 3. Podstawow zalżności i paramtry zwiększania prędkości okrętu k T 0 k M SR Rys. 4. Zmiany prędkości postępowj okrętu 0,8 0,7 0,6 0,5 SR 3. ANALIZA PRZYDATNOŚCI SYSTEMÓW DGPS I EGNOS DLA DYNAMICZNEGO POZYCJONOWANIA JEDNOSTKI 0,4 0,3 0,2 0, 0 k T k M Rys. 2. Charaktrystyka hydrodynamiczna śruby swobodnj, gdzi: η SR sprawność pędnika, v p prędkość postępowa śruby okrętowj, J współczynnik posuwu, n prędkość obrotowa wału śrubowgo, D śrdnica śruby okrętowj, k M współczynnik momntu, k T współczynnik naporu Analizując równania (8) i (9) nalży zauważyć, ż w badaniach ksprymntalnych najważnijszym czynnikim, mającym wpływ na jakość otrzymanych wyników jst możliwość dokładngo okrślnia paramtrów ruchu kadłuba. Znajomość charaktrystyk hydrodynamicznych śruby oraz program obliczń oporu całkowitgo pozwala na wyznaczni charaktrystyk napędowych dla stanów niustalonych. Tak, więc zarówno dla potrzb modlowania jak i dla badań morskich podstawową potrzbą jst dokładna informacja o chwilowj pozycji środka ciężkości okrętu, którą moż zapwnić systm GPS lub jgo wrsj różnicow. J n V P D Powszchność wykorzystania systmu GPS w szroko rozumianj nawigacji zapwnia uzyskiwani dokładności okrślnia pozycji na poziomi 3m (p=0.95) w płaszczyźni horyzontalnj (Cydjko i Oszczak, 2003; Gautir i inni, 2005). Większość współczsnych odbiorników GPS wykorzystywanych w nawigacji morskij umożliwia korktę pozycji poprzz wykorzystani pomiarów różnicowych, zapwniających zwiększni dokładności. Z tgo względu w ramach badań podjęto próbę ocny, polgającą na porównaniu dokładności wyznacznia współrzędnych pozycji dla dwóch rozwiązań różnicowych systmu GPS możliwych do zastosowania w procsi pomiaru paramtrów ruchu okrętu, nizbędnych do wyznaczania charaktrystyk napędowych, na obszarz Bałtyku Południowgo, tj: różnicowy systm DGPS wykorzystujący stację rfrncyjną Rozwi (30KHz), Europjski Gostacjonarny Satlitarny Systm Wspomagania Nawigacyjngo EGNOS wykorzystujący korkty różnicow transmitowan przz łącz satlitarn. Dla ocny dwóch rozwiązań różnicowych GPS: DGPS LF/MF oraz EGNOS i możliwości ich zastosowania dla ocny charaktrystyk napędowych przprowadzono dwutygodniową kampanię pomiarową, którj postawiono następując cl: 25

4 Andrzj Grządzila Diagnozowani okrętowgo układu napędowgo z turbinowymi silnikami spalinowymi okrślni horyzontalnj dokładności wyznacznia pozycji przz systm EGNOS w długotrwałj ssji pomiarowj. w oparciu o równolgł pomiary DGPS LF/MF dokonani analizy porównawczj pomiędzy systmm EGNOS oraz rozwiązanim DGPS wykorzystującym rfrncyjn stacj morski clm ustalnia optymalngo rozwiązania pozycyjngo dla pomiarów charaktrystyk napędowych (Gautir i inni, 200; Global Positioning Systm Standard Positioning Srvic). Punkt rfrncyjny dla odbiorników EGNOS oraz DGPS wyznaczono na maszci portu handlowgo w Gdyni. Podstawow założnia pomiarow objmowały: długość ssji pomiarowj 2 tygodni (ok. 2.5 mln. pomiarów), L-pomiary kodow, minimalna wysokość topocntryczna >5 dg, paramtry sygnału: SS/SNR 40/9, PDOP<0 dg, HDOP<6 dg. Rjstracji dokonano z wykorzystanim standardu NMEA-083, dpsza GGA co s, z następującymi paramtrami: przpływość binarna bodów, 8 bitów danych (bit 7=0, najbardzij znaczący bit = 0), bz kontroli parzystości, bit stopu, logicznj odpowiada napięci od -5V do 0.5V, logicznmu zru odpowiada napięci od +4V do 5V. Dla ralizacji tj transmisji używano 9-cio stykow złącz RS 232C. Przykładow wyniki pomiarów zobrazowano w formi graficznj na rysunku 6. W tabli zstawiono wartości statystyk błędu okrślnia pozycji dla obu analizowanych systmów. Nadminić w tym mijscu nalży, ż dodatkowo przntowaną miarą jst błąd pozycji z p=0.95 obliczony z populacji. W wyniku badań stwirdzono, ż dla pomiaru współrzędnych pozycji nizbędnych dla wyznacznia przbytj drogi, systm DGPS wykorzystujący stację rfrncyjną w Rozwiu zapwnia utrzymani dokładności pomiaru przbytj drogi poniżj 2m (p=0.95) przy dostępności % ( wyznaczń, na możliwych). Natomiast wykorzystani systmu EGNOS dla przprowadzonych badań jst niwskazan, bowim pomimo zadawalającj dokładności okrślnia pozycji dostępność systmu wyniosła % ( wyznaczń, na możliwych). Rys. 6. Rozkład pozycji względm wartości oczkiwanj systmu EGNOS (lwa kolumna) i DGPS (prawa kolumna) w czasi kampanii pomiarowj Przprowadzon badania wykazały, ż systm DGPS wykorzystujący lokaln stacj rfrncyjn moż być z powodznim stosowany dla wyznaczania przbytj drogi podczas wyznaczania charaktrystyk napędowych jdnostk, gwarantując przy tym bardzo wysoką dostępność srwisu. Badania pilotażow przprowadzono na okrętach podczas rutynowych badań diagnostycznych silników napędu główngo. Program badań objmował: pomiar paramtrów układu napędowgo; pomiar przyrostu prędkości kadłuba; pomiar przbytj drogi wg. wskazań odbiornika DGPS. Przprowadzni pomiaru czasu ruszania okrętu z mijsca wykonano dwukrotni, aż do momntu osiągnięcia przz okręt prędkości 25 węzłów. W związku z tym, ż częstotliwość pomiarów systmu DGPS wynosiła f= Hz, wystąpić mógł błąd odczytu faktycznj pozycji okrętu. Przy obliczniu przbytj drogi dokonano korkcji pozycji o przmiszczni 0,5 m. Na podstawi wyników pomiarów sporządzono wykrs zmian prędkości postępowj okrętu oraz wykrs zmian prędkości obrotowj wału turbiny napędowj w zalżności od czasu rysunk 7, a takż zmianę wartości oporu i naporu w funkcji czasu rysunk 8. 26

5 acta mchanica t automatica, vol.3 no.3 (2009) Tab.. Analiza porównawcza dokładności okrślnia pozycji w płaszczyźni horyzontalnj systmów DGPS LF/MF oraz EGNOS DGPS EGNOS Numr pomiaru rms (p=0.65) 2rms (p=0.95) 95 % z populacji Numr pomiaru rms (p=0.65) 2rms (p=0.95) 95 % z populacji , Zastosowani analiz paramtrów ksploatacyjnych w stanach niustalonych ma wil ograniczń oraz narzuca rygorystyczn wymogi powtarzalności badań. Użytkowan systmy pomiarow mogą współczśni podołać powyższym wymaganiom a uzyskan wyniki mogą stanowić doskonałą platformę nowych, komplksowych badań diagnostycznych ni tylko okrętowgo układu napędowgo, al takż urządzń strowych, nawigacyjnych itp. Przdstawion wyniki analiz i badań pilotażowych stanowią podstawę dla wdrożnia pomiarów wszystkich paramtrów ksploatacyjnych w stanach niustalonych dla potrzb okrętowgo, wilosymptomowgo systmu diagnostyczngo. LITERATURA Rys. 7. Zmiany prędkości obrotowj wału turbiny napędowj. Charchalis A. (200), Opory okrętów wojnnych i pędniki okrętow, AMW, Gdynia. 2. Cydjko J., Oszczak S. (2003), Th Maritim Tsts of EGNOS Systm Tst Bd (ESTB) Prformanc in Poland, ath IAIN World Congrss Procdings Brlin. 3. Gauthir L., P. Michl P., Vntura-Travst J., Bndicto J. (200), EGNOS: Th First Stp in Europ s Contribution to th Global Navigation Satllit Systm, ESA bulltin, No Gauthir L., Vntura-Travst J., Toran F., Lasthivnt Ch., Bdu J. (2005), EGNOS Oprations and Thir Plannd Evolution, ESA bulltin, No Kruppa C. (976), Practical aspcts in th dsign of high spd small propllrs, Int. Shipbuilding Progrss, Vol. 23, Nr Wojnowski W. (998), Okrętow siłowni spalinow cz. I, AMW, Gdynia. 7. Global Positioning Systm Standard Positioning Srvic, Prformanc Standard, Assistant Scrtary of Dfns, 200. DIANOSING OF COMBINED COGAG TYPE SHIPS POWER PLANT Rys. 8. Zalżność prędkości obrotowj wału turbiny od prędkości postępowj okrętu 4. WNIOSKI Sumary: Th papr prsnts a proposal mthod of diagnosing dynamics of ships combind propulsion systm with gas turbin ngins LM 2500 typ with th us of DGPS and EGNOS systms. Two oprational paramtrs wr considrd according acclration, spd and distanc of th ship during non-stady stat. Mthods of collcting and procssing of masurmnt data wr charactrizd, morovr calculatd rrors wr prsntd as wll. Th discussion about hlpfulnss of both systms for positioning of vssl finalizd th papr. 27