Моделирование кавитационных процессов в полостях охлаждения судовых ДВС

Актуальность темы

Развитие морских перевозок генеральных грузов и нефтепродуктов на Волго-Каспийской части транспортного коридора Север-Юг привело к широкому использованию судов смешанного плавания река-море. Более, чем 10-летняя активная круглогодичная эксплуатация судов и их судовых энергетических установок, особенно главных двигателей, в переменных режимах по нагрузкам, условиям работы охлаждающих полостей и качеству охлаждающей воды проявило возрастающее количество выбраковки охлаждаемых деталей судовых двигателей внутреннего сгорания (СДВС) по параметрам кавитационных разрушений.

В силу сложившихся экономических условий контроль процессов эксплуатации СДВС на судах, осуществляющих морские перевозки, а также судах флота рыбной промышленности Каспийского бассейна, носит весьма формальный характер. Режимы эксплуатации не всегда соответствуют паспортным параметрам СДВС, качество и состав используемой охлаждающей воды во внутреннем контуре полости охлаждения не соответствуют эксплуатационным требованиям. В полостях охлаждения многих СДВС присутствуют значительные отложения механических примесей, накипи, продуктов коррозии, что свидетельствует об использовании забортной необработанной воды.

Эти обстоятельства изучены на более 20 главных СДВС транспортных судов смешанного плавания и рыбопромыслового флота Каспийского бассейна и показали, что в наибольшей степени кавитационно-коррозионному разрушению подвержены водоомываемые поверхности цилиндровых втулок. Так, например, интенсивность разрушений чугунных цилиндровых втулок СДВС типа N" N/0−48 значительна и они проявляются уже через 3−5 тыс. часов наработки с последующим непрерывным нарастанием до предельного состояния к 12−15 тыс. час. наработки. По износу зеркала цилиндровой втулки из серого чугуна СЧ25 предельное время работы на таких СДВС до 30 тыс. час., а по кавитационно-коррозионному разрушению охлаждаемой поверхности в 1,5−2 раза меньше. В тоже время такими СДВС оснащено более 80% судов Волго-Каспийского бассейна и отсутствие системы прогнозирования кавитационных процессов и контроля качества эксплуатации охлаждаемых полостей влечет экономические потери и становится одной из проблем безопасности плавания судов.

Возможность численного и экспериментального моделирования кавитационно-коррозионных процессов в полостях охлаждения позволяет решить проблемы эксплуатации СДВС с учетом существующих условий, что является в настоящее время актуальным.

Цели исследования: разработка системы моделирования кавитационно-коррозионных процессов в полостях охлаждения, научно обоснованного прогноза предельного времени работы цилиндровых втулок СДВС по параметрам кавитационных разрушений с учетом существующих условий эксплуатации.

Задачи исследования. Для реализации поставленной цели определены задачи исследования: анализ существующих кавитационно-коррозионных разрушений цилиндровых втулок и условий эксплуатации охлаждающих полостей СДВСанализ и выбор методики расчёта кавитационно-коррозионного разрушения с учетом параметров и состава охлаждающей водыразработать программное обеспечение численного моделирования кавитационного разрушения чугунных и стальных цилиндровых втулок по предельному времени износа в течение жизненного цикла и на текущий период эксплуатациипровести численное моделирование кавитационного разрушения цилиндровых втулок наиболее распространённых СДВС флота Каспийского бассейна, с учётом параметров и состава охлаждающей водыразработать испытательный стенд и методику экспериментального исследования кавитационных процессов при имитационных параметрах вибрации образцов и охлаждающей воды при воздействии магнитострикционного преобразователяпровести планирование полного факторного эксперимента с оценкой влияния на навигационные разрушения образцов температуры охлаждающей жидкости и давления в полости охлажденияпровести визуальные наблюдения и цифровую съемку кавитационных процессов и разрушения стенки образцов в модельной установке на разных режимах испытаний образцов металловвыполнить контроль микротвердости стенки образцов металлов на разных режимах их испытанийразработать систему прогнозирования предельного времени работы цилиндровых втулок по параметрам кавитационно-коррозионного разрушения их водоомываемой поверхности.

Методы исследования. Методологической базой моделирования кавитационных процессов приняты методы и методики учёных и исследователей: H.H. Иванченко, A.A. Скуридина, М. М. Абачараева, М. С. Стечишина, А. П. Пимошенко, В. А. Акуличева, Л. И. Погодаева, В. П. Родионова, Б. Г. Щебланова, А. П. Шишкина, Ю. А. Гривина, Г. И. Кувшинова, П. П. Прохоренко, H.H. Кондратьева, В. В. Яковлева и др.

Для организации и качественной достоверности экспериментальных исследований использован метод планирования эксперимента. Получено уравнение регрессии, на основе которого определено влияние температуры и давления в полостях охлаждения цилиндров СДВС на навигационные процессы.

Моделирование навигационных разрушений проводилось на экспериментальном стенде с использованием магнитострикционных методов создания вибрации образцов для имитации кавитационных разрушений в соответствии с требованиями ГОСТ 30 480–97 «Обеспечение износостойкости изделий. Методы испытаний на износостойкость. Общие требования».

При наблюдении процессов зарождения кавитационных каверн и последующего разрушения твёрдой стенки на разных режимах испытаний металлических образцов использованы методы цифровой фотои видеосъёмки.

Научная новизна, разработана универсальная методика численного моделирования кавитационно-коррозионного разрушения и определения предельного времени работы цилиндровых втулок СДВС с учетом условий их эксплуатациивпервые выполнены модельные испытания образцов из серого чугуна СЧ25, стали СтЗ, алюминиевого сплава АЛ9 на новом экспериментальном стенде, имитирующем реальные кавитационные процессы в полостях охлажденияэкспериментальным путем получены данные об изменениях механических свойств поверхности образцов материалов по параметру микротвёрдости при разных режимах кавитационно-коррозионных разрушений поверхностиразработан новый алгоритм и компьютерная программа численного моделирования кавитационно-коррозионных разрушений цилиндровых втулок СДВС в течение всего жизненного цикла и на текущий период эксплуатациипроведено численное моделирование кавитационно-коррозионного разрушения цилиндровых втулок СДВС типа 1ГУГ)-48 разных модификаций.

Практическая ценность работы. Разработана компьютерная программа, которая обеспечивает накопление данных о параметрах детали, условиях эксплуатации и параметрах в полости охлаждения, осуществляет расчет предельного времени возможной работы цилиндровых втулок по навигационному износу. Программа является частью информационной системы о техническом состоянии СДВС на основе CALS-технологии. Информационное сопровождение обеспечит судовладельцев, инспекции Регистра Судоходства России и судоремонтные предприятия возможностью безразборной оценки технического состояния цилиндровых втулок СДВС в любой момент времени их эксплуатации.

На основе численного моделирования получены практические данные влияния режима, условий эксплуатации и состава воды на предельное время работы по кавитационно-коррозионному износу поверхности цилиндровых втулок СДВС типа NVD-48 разных модификаций.

Личный вклад автора. Основные теоретические и экспериментальные результаты получены в период с 2000 по 2005 г. лично автором. Экспериментальные исследования механических свойств поверхностей образцов металлов проводились в лаборатории по изучению износов и испытаниям материалов ОАО АЦКБ при консультировании директором лаборатории к.т.н., доцентом H.H. Кондратьевым. Автор выражает ему свою благодарность.

Реализация результатов исследования. Результаты работы приняты к внедрению в Балтийской государственной морской академии рыбопромыслового флота (г.Калининград) в учебном процессе и научной работе студентов и аспирантов.

Данные исследований используются в учебном процессе АГТУ при подготовке морских инженеров и в научной работе студентов и аспирантов.

Результаты исследований переданы в ОАО «Каспрыбхолодфлот», ЗАО СРЗ им. В. И. Ленина г. Астрахани для использования в работах по оценке технического состояния СДВС и прогнозирования объемов ремонта двигателей судов Каспийского бассейна.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Судовые энергетические установки» АГТУзаседаниях Учёного совета института Морских технологий, энергетики и транспорта АГТУежегодных научно-технических конференциях АГТУ (г.Астрахань 2000;2004г.) — научно-технической конференции «Луканинские чтения. Проблемы развития автотранспортного комплекса» (МАДИ (ГТУ), 2003 г.) — пятой международной конференции и выставке по морским интеллектуальным технологиям «Моринтех-2003» (СПб. 2003) — «Юбилейной XV Международной Интернет-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов по современным проблемам машиноведения» (Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, 2003) — научно-технической конференции «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин» (АГТУ, 2004) — «XVI Международной Интернет-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов по современным проблемам машиноведения» (Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, 2004).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 научных работ.

Структура и объём диссертационной работы. Диссертация состоит из ведения, 5 глав и заключения, изложена на 122 страницах основного текстасодержит 49 рисунков, 17 таблиц, перечень использованных источников из 102 наименований, 5 приложений.

Заключение

Основные выводы по работе.

1. Анализ современного состояния кавитационно-коррозионных разрушений в полостях охлаждения СДВС 104 чугунных и 102 стальных цилиндровых втулок, 17 моноблоков из алюминиевого сплава при эксплуатации СДВС судов Каспийского бассейна показал:

— контроль процессов эксплуатации СДВС на судах, осуществляющих морские перевозки, а также судах флота рыбной промышленности Каспийского бассейна, не обеспечивает требуемую эффективность, а режимы эксплуатации не всегда соответствуют паспортным параметрам СДВС, качество и состав используемой охлаждающей воды во внутреннем контуре полости охлаждения не соответствует эксплуатационным требованиям;

— в полостях охлаждения многих СДВС присутствуют значительные отложения механических примесей, накипи, продуктов коррозии, что свидетельствует об использовании забортной необработанной воды, это создаёт условия высокой интенсивности и обширных областей кавитационно-коррозионных разрушений шириной до 350 мм и высотой до 180 мм с глубиной кратеров от 12 до 18 мм.

2. Разработана универсальная методика численного моделирования кавитационно-коррозионного разрушения и определения предельного времени работы цилиндровых втулок СДВС с учетом условий их эксплуатации на основе оценки взаимовлияния факторов вибрации цилиндровой втулки, газового состава, параметров давления и температуры в полости охлаждения СДВС. Определены закономерности изменения коэффициентов влияния параметров в полости охлаждения на кавитационные разрушения. В интервале температур от 50 до 90 °C значение коэффициентов влияния соответственно составляют: коэффициент, учитывающий влияние давления в полости охлаждения кр=0,86−3,5- коэффициент учитывающий влияние присадки 1^=0,7−2,5- коэффициент учитывающий влияние газового состава охлаждающей воды кг=0,68−3,56.

3. Выполнены модельные испытания 42 образцов металлов из серого чугуна СЧ25, стали СтЗ, алюминиевого сплава АЛ9 на новом экспериментальном стенде, имитирующем реальные кавитационные процессы в полостях охлаждения. Подобие процессов кавитации в полости охлаждения экспериментальной установки и СДВС, обеспечивается равенством физических параметров охлаждающей воды, механических свойств исследуемых образцов и сечения канала в зарубашечном пространстве.

4. Получены экспериментальные данные об изменениях механических свойств поверхности образцов материалов по величине микротвёрдости при разных режимах кавитационно-коррозионных разрушений поверхности. Микротвёрдость кавитируемой поверхности образцов существенно снижается у серого чугуна и стали в среднем в 2 раза.

5. Разработан алгоритм и компьютерная программа численного моделирования кавитационно-коррозионных разрушений цилиндровых втулок СДВС на весь жизненный цикл и текущий период эксплуатации, проведено численное моделирование кавитационно-коррозионного разрушения цилиндровых втулок СДВС типа 1РЛ>48 разных модификаций. Получены практические данные влияния режима, условий эксплуатации и состава воды на предельное время работы по кавитационно-коррозионному разрушению цилиндровых втулок. В рабочем диапазоне температур в полости охлаждения от 60 до 80 °C предельное время работы цилиндровых втулок существенно снижается до 10−20 тыс. ч. по параметрам кавитационно-коррозионного разрушения.

6. Цифровая визуализация позволила выявить ряд периодов кавитационных процессов. Первый период — аккумуляции кавитации, составляющий 20−40 мин. в зависимости от материала, когда происходит вынос рыхлых слоев поверхностной коррозии и нарастание интенсивности навигационного воздействия на поверхности. Второй период — интенсивное разрушение поверхности с уносом материала и потерей массы образца в течение 2 часов испытаний.