THE METHODS EVALUTION OF OPERATING WEAR OF CYLINDER LINERS OF MARINE DIESEL ENGINES OF MAIN PROPULSION

Transkrypt

1 Journal of KONES Internal Combustion Engines 23, vol. 1, 3-4 THE METHODS EVALUTION OF OPERATING WEAR OF CYLINDER LINERS OF MARINE DIESEL ENGINES OF MAIN PROPULSION Jan Monieta Wyższa szkoła Morska Wały Chrobrego 1/2, 7-5 Szczecin telefon: (91) ; , fax: (91) , Abstract The report one introduced the results of operational investigation of wear of cylinder liners of piston marine diesel engines type 6RLB66, employed as main propulsion of ships. Investigated engines was powered by heavy fuels and worked with variable rotational speed. The engines have been operated in natural conditions and the estimation of wear have been realised of metric method on the base of from ship s engine records and deck computer data. METODA OCENY EKSPLOATACYJNEGO ZUŻYCIA TULEI CYLINDROWYCH OKRĘTOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH NAPĘDU GŁÓWNEGO Streszczenie Referat zawiera wyniki badań eksploatacyjnych zużycia tulei cylindrowych tłokowych okrętowych silników spalinowych typu 6RLB66, zastosowanych jako napęd główny statków. Badane silniki były zasilane paliwami pozostałościowymi i pracowały ze zmiennymi prędkościami obrotowymi. Silniki eksploatowano w naturalnych warunkach, a ocenę zużycia przeprowadzono metodą metryczną na podstawie zapisów w dokumentacji maszynowej i komputerach pokładowych. 1. Wstęp W pracy postanowiono dokonać analizy zużycia tulei cylindrowych silników wolnoobrotowych typu 6RLB66 napędu głównego masowców, których duża częstość uszkodzeń jest uciążliwa dla armatora. Jest również nie rozwiązana przez producenta, mimo wielu podejmowanych prób modernizacji [5]. Nagłe uszkodzenia tulei cylindrowych, eliminujące je z eksploatacji, stwarzają niekiedy poważne kłopoty eksploatacyjne. Uszkodzenia te mają również związek z ich zużyciem. Wymagają one wyłączenia silnika z eksploatacji i poddania go odnowie polegającej na wymianie uszkodzonej tulei lub eksploatowaniu silnika w stanie niepełnej zdatności z obniżoną prędkością obrotową i/lub wyłączonym z pracy cylindrem. Uszkodzenia takie wiążą się również ze znacznymi stratami ekonomicznymi spowodowanymi kosztami zakupu nowej tulei, kosztami sprowadzenia tulei zapasowej i wyłączenia statku z eksploatacji. Prowadzenie badań zużycia tulei cylindrowych tych silników w rzeczywistych warunkach eksploatacji uważa się za wskazane przy działaniach zmierzających do ograniczenia częstości ich uszkodzeń. Wyniki tych badań mogą być wykorzystane w procesach modernizacji konstrukcji, wytwarzania oraz podczas eksploatacji tych i podobnych silników. 2. Przedstawienie obiektu badań Badane silniki stanowią 7 pierwszych egzemplarzy wyprodukowanych na licencji firmy

2 Sulzer przez producenta krajowego w roku 1984 i Stanowią one napęd główny na masowcach typu B 542, zbudowanych przez stocznię krajową w roku 1985 i Silniki 6RLB66 są rzędowymi, nawrotnymi, chłodzonymi wodą, dwusuwowymi silnikami wysokoprężnymi z bezpośrednim wtryskiem paliwa, doładowaniem przy pomocy turbosprężarki i chłodzeniem powietrza doładowującego. Rozruch silników odbywa się przy użyciu sprężonego powietrza. Firma Sulzer (obecnie Wärtsilä NSD) reklamowała wówczas te silniki, że są jednymi z najlepszych o dużym skoku tłoka, łączącymi w sobie prostotę konstrukcji, dużą niezawodność i dużą moc przy niewielkim zużyciu paliwa [3]. Są to dwusuwowe silniki krzyżulcowe ze stało ciśnieniowym systemem turbodoładowania. Bezzaworowa konstrukcja komory spalania pozwala na oszczędne spalanie paliw nawet najniższej jakości. W silnikach RLB wszystkie elementy umieszczone wokół komory spalania są chłodzone otworowo (rys. 1). Firma Sulzer zastosowała otworowe ukształtowanie powierzchni chłodzącej denka tłoka uzyskane przez nawiercenie odpowiednio głębokich otworów [3]. Woda chłodząca tłoki doprowadzana i odprowadzana jest z przestrzeni chłodzącej tłoka rurami teleskopowymi. Trzon tłokowy jest uszczelniony dwuczęściowym uszczelnieniem, dławionym w przegrodzie oddzielającej przestrzeń podtłokową od skrzyni korbowej. Rys. 1. Przekrój tulei cylindrowej silnika RLB: 1 tuleja cylindrowa, 2 okno dla pompy smarnej, 3 blok cylindrowy, 4, 4, 4b gumowe pierścienie uszczelniające, 4c gumowe pierścienie do wskazań przecieków wody, 5 materiał wypełniający, 6 pokrywa, 7 kierownica wody chłodzącej, 8 korki śrubowe zaślepiające, 9 przewody do smarowania dolnej części tulei cylindrowej, 1 pierścień uszczelniający, A okna wylotowe, S okna przepłukujące, NO rowki olejowe, NU dolne rowki olejowe, K otwory kontrolne Fig 1. Schematic diagram of the cylinder liner: 1 cylinder liner, 2 bore for lubricating quill, 3 cylinder jacket, 4 rubber ring for the ports, 4a rubber ring for the ports, 4b lower rubber ring, 4c rubber ring for water guide jacket, 5 filling piece, 6 cover, 7 water guide ring, 8 screw plug for vertical cooling water bore, 9 lube oil supply for lower part of cylinder liner, 1 soft iron joint, A exhaust ports, S scavenge ports, NO upper lubricating groove, NU lower lubricating groove, K check hole Charakterystyczne dane techniczne silników głównych typu 6RLB66 są następujące: moc nominalna 816 kw, prędkość obrotowa nominalna 124 obr/min, średnica cylindra 66 mm,

3 skok tłoka 14 mm. Na obwodzie tulei cylindrowej są powkręcane, w równomiernych odstępach, króćce smarownicze. Na zewnętrznych końcach króćców znajdują się pojemniki, mające za zadanie akumulację oleju tłoczonego przez pompy smarowania cylindrów, a następnie podawanie go w określonym czasie przez króćce smarownicze na powierzchnie ślizgowe do wkładów cylindrów. Do smarowania dolnej części służą dwa pionowe otwory (9), do których podłączone są przewody połączone z pompą smarowania cylindrów. Cylinder smarowany jest w zależności od obciążenia silnika. Zmiany ciśnienia w cylindrze automatycznie sterują częstością podawania oleju na gładź cylindra. 3. Rodzaje zużycia tulei cylindrowych Zużycie pierścieni i tulei cylindrowych jest następstwem oddziaływania ścierania, adhezji, procesów zmęczeniowych i korozyjnych itp. W rzeczywistym układzie wszystkie te procesy zachodzą równocześnie i wzajemnie na siebie oddziałują. W przebiegu zużycia tego układu można wyróżnić takie etapy jak: docieranie, zużycie łagodne (ustabilizowane), strefę przejściową i zużycie patologiczne. Intensywność zużycia tulei cylindrowych zależna jest od oddziaływań szeregu czynników, które można sprowadzić do kilku podstawowych grup, uwzględniających własności: paliwa, oleju smarującego, powietrza przepłukującego, stanu cieplnego, montażu i obróbki powierzchni oraz obciążenia silnika. Nadmierne zużycie tulei cylindrowych jest wynikiem intensywnego ścierania, procesów korozyjnych i mikrozatarć. Nadmierna intensywność ścierania w układzie pierścień tuleja cylindrowa jest najczęściej następstwem niedostatecznej gładkości powierzchni tarcia lub obecności ścierniwa w strefie tarcia [1]. Wzrost intensywności zużycia może być również następstwem oddziaływania kwaśnych produktów spalania, które nie zostały zneutralizowane przez związki alkaliczne zawarte w oleju smarującym. Mikrozatarcie jest to krótkotrwałe, lokalnie występujące zjawisko zacierania układu. Mikrozatarcia obserwuje się przy wyższych parametrach pracy układu, tzn.: naciski, prędkość poślizgu i temperatura w strefie tarcia. Przykładową powierzchnię wewnętrzną eksploatowanej tulei i wymienionej tulei cylindrowej przedstawiono na rys. 2. Na rysunku widać, że w rejonie okien występuje zwiększone zużycie o bardziej gładkiej powierzchni tulei, spowodowane lokalnymi uszkodzeniami filmu olejowego. W górnej części tulei widoczne są osady powstałe z paliwa i oleju oraz zużycie korozyjne. 4. Metoda gromadzenia danych Badane obiekty eksploatowane były w naturalnych warunkach, zastosowany został więc bierny eksperyment. Dane zebrano z siedmiu statków, na których zostały zamontowane silniki 6RLB66. Dane gromadzono w czasie postojów statków w portach i stoczniach oraz dokonując badań zmagazynowanych po demontażu tulei. Badane tuleje w zdecydowanej większości były wymieniane przedwcześnie w wyniku pęknięć oraz zatarć. Czasy eksploatacji do tych wymian były bardzo zróżnicowane [4]. Pomiary zużycia tulei cylindrowej dokonać można po demontażu tłoka. Pomiary tulei są protokołowane w dokumentach maszynowych, a od 1998 roku także w komputerach pokładowych, dla porównania z pomiarami wcześniejszymi i późniejszymi. Aby możliwe było porównywanie pomiarów, należy je przeprowadzać w tych samych miejscach za pomocą

4 sprawdzianu mierniczego. Pomiary zostały wykonywane w kierunku wzdłużnym jak i poprzecznym do osi silnika przez włożenie końcówek mikrometru do otworów specjalnie do tego przewidzianych. Pomiary zostały wykonywane za pomocą średnicówki mikrometrycznej z rozdzielczością ±,1 mm. Rys. 2. Widok powierzchni wewnętrznej eksploatowanej tulei cylindrowej silnika 6RLB66 Fig. 2. View internal surface of operating cylinder liner of engine 6RLB66 5. Warunki pracy badanych silników Statki z badanymi tulejami cylindrowymi silników RLB eksploatowane były w stochastycznych i bardzo zróżnicowanych warunkach we wszystkich strefach klimatycznych. Wpływ parametrów charakteryzujących warunki zewnętrzne i wewnętrzne wpływające na uszkodzenia i zużycia tulei cylindrowych przedstawiono w oddzielnej pracy [6]. Do czynników określających warunki zewnętrzne należy zaliczyć: wilgotność powietrza, temperaturę, ciśnienie powietrza, zanieczyszczenia, narażenia biotyczne, narażenia mechaniczne a dla statku, i w rezultacie silnika napędu głównego, dodatkowo warunki pływania: zanurzenie i stan porośnięcia kadłuba, teren lodowy, temperatura wody zaburtowej, stan morza, kierunek wiatru itp. Obciążenie silnika zmieniało się, również poza manewrami statku. Przykładowy przebieg wskaźnika obciążenia silnika w ciągu miesiąca przedstawiono na rys 3. Zmienność obciążenia była znacząca. 8 WO Czas [h] Rys. 3. Przykładowy przebieg wskaźnika obciążenia (WO) silnika 6RLB66 w ciągu miesiąca Fig. 3. Exemplary course of load indicator (WO) of engine 6RLB66 by month Obciążenia mechaniczne oraz cieplne mają istotny wpływ na zużycie oraz uszkodzenia

5 tulei cylindrowych. Na zużycie tulei ma wpływ ilość i jakość dostarczanego oleju smarującego. Zmiany zużycia oleju cylindrowego uśrednianego w kwartałach i przypadającego na godzinę pracy silnika przedstawiono na rys. 4. Wyniki wskazują na rozrzut zużycia oleju silnikowego. 12 Średnie zużycie oleju [kg/h] Kwartał nr Rys. 4. Zmiany zużycia oleju cylindrowego silnika 6RLB66 uśrednianego w ciągu kwartału Fig. 4. The consumption changes of cylinder oil of engine 6RLB66 an the averaged by term 6. Przykładowe wyniki badań Na rys. 5 przedstawiono przykładowy wykres warstwowy zużycia tulei cylindrowej silnika 6RLB66 w siedmiu płaszczyznach pomiarowych, prostopadłych do osi podłużnej tulei. Pomiary zużycia dokonywano okresowo rejestrując liczbę godzin pracy silników, zamieszczone w legendzie. Na rysunku można dostrzec większą intensywność zużycia w początkowej i końcowej fazie eksploatacji tulei cylindrowej. Zużycie [mm] 1,4 1,2 1,8,6,4, Poziom 832 h 4834 h 2715 h 7243 h 7422 h 7938 h 7333 h 4343 h 729 h Rys. 5. Wykres warstwowy zużycia ścianki przykładowej tulei silnika 6RLB66 Fig. 5. The stratified graph wear of wall exemplary cylinder liner of engine 6RLB66 Kolejny rysunek 6 przedstawia uśrednione zużycie ścianki tulei cylindrowej w jednej płaszczyźnie i siedmiu poziomach. Największe zużycie występuje na drugim poziomie oraz ogólnie większe zużycie występuje w górnej części tulei, gdzie wyższe są temperatury w pobliżu komory spalania. W wielu tulejach powstawały progi w górnej części. Rysunek 7, przedstawia zróżnicowanie zużycia tulei dwóch płaszczyznach wzajemnie prostopadłych. Z rysunku wynika, że w płaszczyźnie poprzecznej do osi silnika obserwuje się większe zużycie, tak zwaną beczkowatość, które jest spowodowane oddziaływaniem tłoka na tuleję oraz asymetrię obciążenia gazowego i cieplnego spowodowaną położeniem okien wylotowych. W celu zmniejszenia tego oddziaływania stosuje się świadomy przechył statku.

6 Zużycie [mm/1 h],3,25,2,15,1, Poziom nr Rys. 6. Średnie zużycie przykładowej ścianki tulei cylindrowej silnika RLB66 Fig. 6. The mean wear of example wall cylinder liner of engine RLB66 4 ZD [mm] L-P L-P D-R Poziomnr Rys. 7. Zwiększenie średnicy tulei cylindrowej ZD w poszczególnych poziomach pomiarowych oraz dwóch kierunkach pomiaru: D-R wzdłuż osi silnika, L-P poprzecznie do osi silnika Fig. 7. Increase diameter of cylinder liner ZD in each measurement levels and two direction of measurement: D- R fore and aft of engine, L-P crosswise to axle of engine 7. Modele zużycia tulei cylindrowych Modele zużycia tulei cylindrowej lub układu tłok tuleja cylindrowa, mogą uwzględniać wiele oddziaływań i stanowią bardzo złożone problemy [7]. Najczęściej spotyka się rozwiązania tych problemów za pomocą budowy: modeli graficznych określających kształty zużycia, modeli matematycznych, funkcji opisujących przebieg procesu zużycia. Podejmowane próby opracowania modeli zużycia układów tribologicznych, doprowadziły do powstania wielu równań empirycznych. Proces zużycia każdego elementu silnika ma swoją dynamikę rozwoju. Wyróżnia się w nim okres: docierania czyli intensywnego zużycia, zużycia umiarkowanego o stałej intensywności, i zużycia patologicznego. Znając charakter krzywych zużycia można dobrać taką krzywą teoretyczną, która w dostatecznym stopniu będzie aproksymować każdą z krzywych eksperymentalnych. Dla opisu dwóch pierwszych okresów zużycia układu pierścień tłokowy tuleja cylindrowa można wykorzystać równanie typu [8]: a b C d f Z = Kp C D z t (1) s gdzie: K współczynnik uwzględniający odporność materiału na zużycie, warunki eksploatacji i inne czynniki nie występujące w równaniu, t

7 p s maksymalne ciśnienie spalania, C t średnia prędkość tłoka, D średnica cylindra, z współczynnik uwzględniający liczbę suwów na jeden obieg (1 dla silników dwusuwowych i,5 dla czterosuwowych), t czas, a, b, c, d, f wykładniki potęgowe wyznaczone eksperymentalnie metodami statystycznymi. Czas t to czas równoważny pracy silnika t r uwzględniający pracę w warunkach nieustalonych: t r R = t1 + t p N + ( α 1) 1 (2) gdzie: t 1 czas pracy silnika pomiędzy rozruchami i przesterowaniami, t p czas trwania zwiększonego zużycia podczas rozruchu i przesterowania, α stopień wzrostu intensywności zużycia przy rozruchu α = 3, N liczba rozruchów, R liczba przesterowań. Równanie (1) można wykorzystać do oceny porównawczej wpływu takich czynników, jak rodzaj oleju lub paliwa, bądź warunków eksploatacji, na zużycie układu. Jeżeli znane jest zużycie tulei cylindra Z o dla danego silnika, o ciśnieniu spalania p so, średnicy cylindra D o i średniej prędkości tłoka C to, po czasie t o, to wówczas można określić zużycie Z tulei cylindrowej silnika podobnego, pracującego na innym oleju smarnym, innym paliwie i eksploatowanego w innych warunkach, na podstawie wyrażenia:,7,9 ps Ct D t Z = K s K p K ez o (3) pso Cto Dso t so gdzie K s, K p, K e są współczynnikami uwzględniającymi odmienność odpowiednio oleju, paliwa i eksploatacji. Dla dokładnego określenia zużycia tulei cylindrowej należy uwzględnić: zmienną prędkość tłoka, zjawiska termiczne, zmienną wartość współczynnika tarcia. 8. Podsumowanie W pracy przedstawiono przykładowe wyniki badań wstępnych zużycia tulei cylindrowych. Przedstawiono je w oderwaniu od zużycia tłoków i pierścieni tłokowych, chociaż stanowią wspólne węzły tribologiczne i równocześnie zebrano o nich informacje. Analiza procesów zużycia na podstawie danych eksploatacyjnych posiada pewne wady i ograniczenia. Na badanych statkach nie rejestrowano w sposób ciągły, lecz dyskretny parametry pracy silnika spalinowego, co znacznie ograniczało obszary analiz. Nowsze typy statków, choć nie wszystkie, monitorują istotne parametry diagnostyczne. Niektóre pomiary wykonywane przez załogi maszynowe budziły wątpliwości, ponieważ zdarzały się zapisy z wymiarami średnic tulei późniejszych mniejszych od poprzedzających. Mogło to wynikać z pokrycia tulei osadami, zużycia adhezyjnego lub może z niedokładności pomiarów. Niemniej 1,4,5

8 przy uśrednianiu tak bardzo licznej próby, problem ten powinien być pomniejszony. Dalsze prace będą zmierzały w kierunku uśrednionych analiz dla wielu egzemplarzy tulei cylindrowych. Opracowanie modeli zużycia oraz uszkodzeń tego słabego elementu silników RLB powinno przyczynić się do zmniejszenia zużycia i uszkodzeń oraz planowania części wymiennych. Jednym ze sposobów zmniejszenia i uszkodzeń tulei w ostatnim czasie jest wprowadzenie honowania na etapie wytwarzania, zmniejszającego istotnie chropowatość i prowadzącego do znacznego ograniczenia zatarć [2]. Literatura [1] Cyulin W., Lemski J.: Effect of operating influences on wearing speed of marine diesel engine elements. EXPLO-DIESEL & GAS TURBINE'1. Gdańsk Międzyzdroje Kopenhaga, p [2] Grześkowiak J., Kotkowski K., Wołyńska-Mrowicka E., Heppel K., Nosal S.: The effect of some selected factors on the running-in performance of a node modelling the marine engine cylinder liner piston ring sliding pair. EXPLO-DIESEL & GAS TURBINE'1. Gdańsk Międzyzdroje Kopenhaga 21, s [3] Listewnik J., Marcinkowski J.: Rozwój konstrukcji okrętowych wolnoobrotowych silników spalinowych. Wyd. Wyższej Szkoły Morskiej, Szczecin [4] Monieta J.: Analiza uszkodzeń tulei cylindrowych wolnoobrotowych silników okrętowych typu 6RLB66. EXPLO-DIESEL & GAS TURBINE'1. Gdańsk Międzyzdroje Kopenhaga 21, s [5] Monieta J.: Analysis of failures of cylinder liners of the low-speed marine diesel engines type 6RLB66. Journal of KONES 21, 1 2, s [6] Monieta J.: Wpływ warunków zewnętrznych na niezawodność silników okrętowych napędu głównego. XXII Sympozjum Siłowni Okrętowych. Szczecin, 21, s [7] Wakuri Y., Kitahara T., Hamatake T., Soejima M., Oono O.: Investigation of losses on the friction in piston rings. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers 1996, 599, p [8] Włodarski J. K.: Eksploatacja maszyn okrętowych. Tarcie i zużycie. Wyd. Wyższej Szkoły Morskiej w Gdyni, Gdynia Praca naukowa finansowana ze środków Komitetu Badań naukowych w 23 roku jako projekt badawczy nr 5T12D 524.