Метод оценки технического состояния корабельных дизелей в условиях эксплуатации
METHOD FOR ASSESSMENT OF TECHNICAL CONDITION OF SHIPBOARD DIESEL ENGINES UNDER OPERATING CONDITIONS

Изобретение относится к методам оценки технического состояния корабельных дизелей и может быть использовано для определения категорий, которые характеризуется различной степенью изменения технического состояния в рамках нормативно-технической документации на основе перевода фактических значений эксплуатационных показателей в безразмерную величину.
Известен способ эксплуатации двухконтурного турбореактивного двигателя по его техническому состоянию (патент RU № 2168163 МПК G01M 15/00, опубл. 27.05.2001 г.), включающий определение отклонения параметров двигателя от исходных значений и определения по ним сроков технического обслуживания, отличающийся тем, что при длительной эксплуатации двигателя периодически выводят двигатель на частоту вращения ротора низкого давления, близкую к полученной в начале эксплуатации, создают на турбине перепад давления, близкий к перепаду в начале эксплуатации на этой частоте вращения, измеряют частоту вращения ротора высокого давления, сравнивают ее со значением, полученным в начале эксплуатации, и при увеличении измеренного значения частоты вращения от значения в начале эксплуатации более чем на 1,5% промывают газовый тракт двигателя до уменьшения этого отклонения на 1,5-2,0% от полученного значения, при этом для двигателей с поворотными направляющими аппаратами компрессора дополнительно измеряют значения углов поворота направляющих аппаратов компрессора в начале эксплуатации, а при длительной эксплуатации перед измерением частоты вращения ротора высокого давления устанавливают углы поворота направляющих аппаратов, близкими к их значению в начале эксплуатации.
Недостаток способа эксплуатации двухконтурного турбореактивного двигателя по его техническому состоянию заключается в том, что использование средних значений параметров, характеризующих среду и условия работы, дает обобщенную оценку изменений, происходящих в процессе эксплуатации, и затрудняет выявление конкретной причины ухудшения технического состояния двигателя.
Известно устройство и способ оценки технического состояния асинхронных двигателей (патент RU 2711647 МПК G01M 7/02, опубл. 17.01.2020 г.). Способ оценки технического состояния асинхронных двигателей, включающий измерение тока и напряжения по меньшей мере одной из фаз обмотки статора, измерение частоты вращения ротора, измерение крутящего момента двигателя, определение в относительной окружающей среде температуры подшипниковых узлов, температуры ротора и статора, аналого-цифровое преобразование данных сигналов, построение спектральных характеристик этих сигналов с помощью преобразования Фурье, анализ спектра вибрации подшипников, вычисляется спектр проводимости по меньшей мере одной из фаз статора, анализируются спектральные компоненты, порождаемые дефектом двигателя, анализируется спектр крутящего момента и вычисляются характеристические частоты дефектов двигателя в этом спектре, результат анализа спектра вибрации, проводимости, крутящего момента, вместе со значением частоты вращения ротора и относительной окружающей среде температуры подшипниковых узлов, температуры ротора и статора обрабатывается с помощью остаточный ресурс двигателя.
Способ оценки технического состояния асинхронных двигателей заключается в следующем. Измеренные с помощью соответствующих датчиков сигналы вибрации подшипников, тока и напряжения статорной обмотки, а также крутящего момента, оцифровывают с помощью аналого-цифрового преобразователя. Затем с помощью быстрого преобразования Фурье получают спектры этих сигналов. В спектре вибрации находят частотные компоненты, основанные на конструкции подшипника и соответствующие дефектам. На основе найденных спектров для сигнала тока и сигнала напряжения вычисляют спектр проводимости фазы. Необходимость получения спектра проводимости фазы обоснована тем, что причиной гармоник, возникающих в спектре тока двигателя, но отсутствующих в спектре напряжения, являются физические процессы, происходящие в двигателе, в том числе вызванные его дефектами. В полученном спектре проводимости фазы находят частотные компоненты, соответствующие дефектам асинхронного двигателя. В полученном спектре крутящего момента аналогично находят частоты дефектов двигателя. Вычисляются дополнительные диагностические признаки, указывающие на глубокий дефект - измеренная относительно окружающей среде температура подшипников, статора и ротора. Значения амплитуд характеристических частот, величины частоты вращения двигателя и температуры узлов анализируются с помощью многомерной линейной регрессии. Многомерная регрессия восстанавливает неизвестную зависимость наблюдаемой вещественной величины от набора вещественных признаков, таким образом можно оценить текущее техническое состояние по экспертной шкале и просчитать возможный остаточный ресурс двигателя. Решающая функция регрессии находится по результатам экспериментальных опытов для каждого конкретного типа двигателя, причем в эксплуатации, с течением времени и накоплением данных о режимах работы двигателя, функция блока многомерной регрессии изменяется, и за счет этого результаты оценки и прогнозирования можно улучшить.
Недостаток способа оценки технического состояния асинхронных двигателей заключается в том, что измеренные с помощью соответствующих датчиков сигналы вибрации подшипников, тока и напряжения статорной обмотки, а также крутящего момента, оцифровывают с помощью аналого-цифрового преобразователя без присвоения цифрового кода, что уменьшает наглядность оценки технического состояния.
Известен способ контроля технического состояния дизельной топливной аппаратуры (патент на изобретение RU № 2624892 МПК F02M 65/00, G01M 15/00, опубл. 07.07.2017 г.), заключающийся в обеспечении при стендовых испытаниях дизельной топливной аппаратуры сначала постоянного, а затем переменного характера изменения скорости вращения приводного вала ее топливного насоса, измерении величин цикловой подачи топлива, полученных за заданное количество циклов стендовых испытаний дизельной топливной аппаратуры при постоянном и переменном характере изменения скорости вращения приводного вала ее топливного насоса, по результатам сравнения разности которых оценивают техническое состояние испытываемой дизельной топливной аппаратуры, а скорость вращения приводного вала топливного насоса дизельной топливной аппаратуры изменяют по гармоническому закону, не нарушая связи исполнительного механизма регулятора частоты вращения с его рейкой.
Способ контроля технического состояния дизельной топливной аппаратуры осуществляют следующим образом. Дизельная топливная аппаратура состоит из топливного насоса, всережимного центробежного регулятора, топливопроводов высокого давления и форсунок. Испытываемую дизельную топливную аппаратуру по известным технологиям ее испытаний и регулировке устанавливают на стенд, обеспечивающий возможность испытания дизельной топливной аппаратуры как в режиме постоянного, так и переменного характера изменения скорости вращения приводного вала топливного насоса. Переменный скоростной режим испытания дизельной топливной аппаратуры реализуется возможностью стенда изменять скорость вращения приводного вала топливного насоса по гармоническому закону относительно его номинальной частоты вращения. Амплитуду и частоту гармонического изменения скорости вращения приводного вала топливного насоса определяют маркой испытуемой дизельной топливной аппаратуры. Испытания дизельной топливной аппаратуры в режиме поддержания постоянной скорости вращения приводного вала ее топливного насоса осуществляют в следующей последовательности. С помощью задатчика циклов, которым оборудован испытательный стенд, устанавливают требуемое количество циклов испытания дизельной топливной аппаратуры. Во время проведения данных стендовых испытаний основные рабочие органы всережимного центробежного регулятора топливного насоса испытываемой дизельной топливной аппаратуры занимают соответствующее равновесное положение, что, в конечном итоге, определяет положение рейки топливного насоса, которое, в свою очередь, определяет величину цикловой подачи топлива каждой секции, испытываемой дизельной топливной аппаратуры. После завершения стендовых испытаний в мерных сосудах каждой секции, испытываемой дизельной топливной аппаратуры, окажется объем дизельного топлива, соответствующий заданному количеству циклов. Отношение зафиксированного объема дизельного топлива к заданному количеству циклов позволяет определить цикловую подачу топлива каждой секции топливного насоса испытываемой дизельной топливной аппаратуры, характерную для постоянного скоростного режима ее стендовых испытаний. Далее, в целях повышения достоверности оценки технического состояния дизельной топливной аппаратуры, проводят ее испытания при переменном режиме (по гармоническому закону) изменения скорости вращения приводного вала топливного насоса, который обеспечивает возможность испытательного стенда. Для сопоставимости результатов испытаний дизельной топливной аппаратуры, полученных в условиях постоянного и переменного скоростных режимов ее стендовых испытаний, необходимо выдержать следующее условие: продолжительность стендовых испытаний дизельной топливной аппаратуры в режиме гармонического изменения скорости вращения приводного вала ее топливного насоса (измеряется промежутком времени, необходимым для реализации требуемого количества циклов). Во время проведения стендовых испытаний основные рабочие органы всережимного центробежного регулятора топливного насоса испытываемой дизельной топливной аппаратуры постоянно изменяют свое положение, что приводит к постоянному передвижению рейки испытываемого топливного насоса относительно ее равновесного положения. По данному основанию возникающие перемещения рейки топливного насоса относительно ее равновесного положения являются причиной постоянного изменения величины цикловой подачи топлива каждой секции топливного насоса, испытываемой дизельной топливной аппаратуры. В итоге, величина возникающих перемещений рейки топливного насоса испытываемой дизельной топливной аппаратуры определяет техническое состояние следующих ее основных составляющих: топливного насоса в целом; всережимного центробежного регулятора; топливопроводов высокого давления; форсунок. После завершения стендовых испытаний в мерных сосудах каждой секции, испытываемой дизельной топливной аппаратуры, окажется объем дизельного топлива, соответствующий заданному количеству циклов. Отношение зафиксированного объема дизельного топлива к заданному количеству циклов позволяет определить цикловую подачу топлива каждой секции топливного насоса испытываемой дизельной топливной аппаратуры, характерную для ее стендовых испытаний в режиме гармонического изменения скорости вращения приводного вала топливного насоса. Сравнение величин цикловой подачи топлива, полученных при стендовых испытаниях дизельной топливной аппаратуры, соответственно в режимах постоянного и переменного (по гармоническому закону) характера изменения скорости вращения приводного вала ее топливного насоса позволяет достоверно определить степень отклонения эксплуатационных параметров испытываемой дизельной топливной аппаратуры от нормы.
Недостаток способа контроля технического состояния дизельной топливной аппаратуры заключается в том, что при учете особенностей работы топливного насоса, всережимного центробежного регулятора, топливопроводов высокого давления и форсунок в условиях непрерывного изменения скорости вращения приводного вала топливного насоса, не учитывается направленность эксплуатационных показателей, которые увеличиваясь могут ухудшать техническое состояние, либо, уменьшаясь ухудшать техническое состояние дизельной топливной аппаратуры.
Наиболее близким прототипом является способ оценки изменений технического состояния газотурбинного двигателя и установление причин изменений в процессе эксплуатации (патент RU № 2513054 МПК G01M 15/14, опубл. 20.04.2014 г.), включающий измерение параметров, характеризующих среду и условия работы двигателя, фиксирование исходных значений параметров в начале эксплуатации, измерение текущих значений параметров во время эксплуатации, оценку технического состояния и установление причин изменений по предельно допустимому отклонению при сравнении измеренных текущих параметров двигателя и исходных значений, а в качестве дополнительного параметра для оценки изменений технического состояния двигателя выбирают полную температуру газа за турбиной низкого давления  измеренную термопарами не менее чем в восьми точках, равномерно установленных по окружности в характерном сечении, определяют среднюю температуру и предварительно устанавливают предельно допустимое отклонение средней температуры от ее исходного значения в процессе эксплуатации, определяют термопары с максимальным и минимальным значением температуры, и по измеренным и текущим температурам двигателя в процессе эксплуатации проводят оценку изменения технического состояния по предельно допустимым отклонениям от средней температуры и по предельно допустимым отклонениям разницы между максимальным и минимальным значением температуры, а по месту расположения термопар с максимальной и минимальной температурой определяется место расположения неисправного узла и причина неисправности, при этом оценку технического состояния производят при значениях разности температур  в точках с максимальной и минимальной температурой не более 110°С и отклонениях температуры во всех точках от среднего значения не более 10°С.
1
Способ оценки изменений технического состояния газотурбинного двигателя и установление причин изменений в процессе эксплуатации работает следующим образом. При проведении приемосдаточных испытаний измеряют температуру газа термопарами в восьми точках, распределенных равномерно по окружности, при постоянном значении приведенных оборотов ротора n и получают исходные (базовые) значения  баз для каждой термопары. Для среднего значения  определяют минимальное и максимальное значение показаний термопар  и вычисляют Определяют предельно допустимые значения отклонений для среднего значения  по  и место расположения термопар по разнице . В процессе эксплуатации осуществляют контрольные измерения, при этом выход параметров за предельно-допустимые значения:баз указывает на то, что произошло засорение в секторе форсунки основной камеры сгорания, либо прогар соплового блока;  указывает на то, что произошло ухудшение характеристик компрессоров и турбин, а также засорение форсунок основной камеры сгорания;  баз указывает на то, что произошло засорение форсунки основной камеры сгорания, либо прогар соплового блока. При выходе за предельно-допустимые значения любого параметра прекращают эксплуатацию и проводят осмотр двигателя. По результатам осмотра принимают решение о проведении ремонтных работ.
Пример
Дано:
Решение:
Разность между максимальной и минимальной температурами определяется по формуле:
Средняя температура  определяется по формуле:
Для данной комплектации двигателя назначаются базовые значения температур:  Производятся измерения температуры газа за турбиной на той же частоте вращения, что в начале эксплуатации двигателя.
При анализе результатов первого контрольного измерения параметры не превышают предельно допустимые значения температуры. Эксплуатация двигателя продолжается.
45
47
45
47
При анализе результатов второго контрольного измерения отмечается превышение предельно допустимой разности между максимальной и минимальной температурой, причем произошло как увеличение температуры газа в секторе термопары №T, так и снижение температуры в секторе установки термопары №T. При этом предельно допустимая средняя температура осталась в пределах допуска. Такое изменение предельно допустимого значения сигнализирует о том, что необходимо произвести останов эксплуатации и выполнить осмотр в секторах установки термопар. Причем в секторе установки термопары №T, где произошло увеличение температуры газа, которое свидетельствует о прогаре соплового аппарата турбины. В секторе установки термопары №Т необходимо выполнить осмотр форсунок основной камеры сгорания на предмет их засорения, коксования. По результатам осмотра принимают решение о продолжении эксплуатации, либо ремонте двигателя.
При анализе результатов третьего контрольного измерения отмечается превышение предельно допустимого среднего значения температуры газа, при этом предельно допустимая разность между максимальной и минимальной температурой осталась в пределах; допуска, что сигнализирует о загрязнении проточной части двигателя. Необходимо провести осмотр проточной части и выполнить промывку газовоздушного тракта с последующим продолжением эксплуатации двигателя.
43
48
При анализе результатов четвертого контрольного измерения отмечается комплексное превышение предельно допустимых значений, установленных в начале эксплуатации, что указывает на загрязнение проточной части, разрушение сопловых аппаратов в секторе установки термопары №T, засорение форсунок основной камеры сгорания в секторе установки термопары №T. Необходимо остановить эксплуатацию и выполнить осмотр проточной части двигателя.
Недостаток способа оценки изменений технического состояния газотурбинного двигателя и установление причин изменений в процессе эксплуатации заключается в том, что оценка технического состояния в рамках нормативно-технической документации оценивается как «исправное», однако существует период, когда техническое состояние резко ухудшается, что может привести к аварии корабельного дизеля.
Цель изобретения заключается в выделении категорий технического состояния корабельных дизелей в условиях эксплуатации.
Технический результат заключается в переводе фактических значений эксплуатационных показателей в безразмерную величину.
Технический результат достигается путем выделения категории технического состояния корабельных дизелей.
min
max
min
max
ЭПП
ЭПО
факт
факт
ЭПП
ЭПО
Технический результат заключается в том, что метод оценки технического состояния корабельных дизелей в условиях эксплуатации, включающий измерение эксплуатационных показателей, характеризующих среду и условия работы корабельных дизелей, фиксирование их фактических значений в условиях эксплуатации, оценку технического состояния по их предельно допустимым значениям (минимальные и максимальные), сравнение фактических значений со значениями нормативно-технической документации, отличающийся тем, что в качестве оценочных выбираются эксплуатационные показатели, которые измеряются штатным оборудованием на режиме полной мощности, разделяются на прямые (ЭПП) и обратные (ЭПО), их максимальные и минимальные значения привязываются к шкале следующим образом: ЭПП=0; ЭПП=9; ЭПО=9; ЭПО=0. Перевод фактических значений в безразмерную величину для прямых эксплуатационных показателей осуществляется по формуле:  для обратных эксплуатационных показателей:  где σ и σ - стандартные отклонения; ЭПП и ЭПО - фактические значения; М и М - средние арифметические значения, при этом комплексное значение ТС определяется по формуле:
где n -количество эксплуатационных показателей, при этом категории технического состояния выделяются следующим образом: I категория: 0≤ТС≤3; II категория: 3<ТС≤6; III категория: 6<ТС≤9.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленный метод оценки технического состояния корабельных дизелей в условиях эксплуатации соответствует критерию «новизна», так как имеет следующие отличия от прототипа.
1. Для учета внешних условий при эксплуатации корабельных дизелей в качестве оценочных выбираются эксплуатационные показатели, которые измеряются штатным оборудованием на режиме полной мощности.
2. Для определения направления шкалы эксплуатационные показатели разделяются на типы: ЭПП и ЭПО.
3. Для перевода фактических значений ЭПП и ЭПО в безразмерную величину их минимальные и максимальные значения в рамках нормативно-технической документации привязываются к шкале.
4. Для оценки общего технического состояния корабельных дизелей рассчитывается комплексное техническое состояние.
5. Для повышения точности оценки технического состояния корабельных дизелей в рамках нормативно-технической документации выделяются категории.
min
max
min
max
ЭПП
Категории технического состояния корабельных дизелей в рамках нормативно-технической документации представлены на фигуре 1. Сущность метода оценки технического состояния корабельных дизелей в рамках нормативно-технической документации заключается в следующем. Выбираются эксплуатационные показатели, которые измеряются штатным оборудованием, установленным в машинном отделении корабля (например, температура выпускных газов на выходе из цилиндров; температура охлаждающей жидкости на выходе из дизеля температура масла на входе в дизель; максимальное давление сгорания в цилиндрах; давление масла на входе в дизель). Эксплуатационные показатели разделяются на типы: прямые (ЭПП) и обратные (ЭПО) следующим образом: ЭПП при уменьшении фактических значений приводят к ухудшению технического состояния корабельных дизелей; ЭПО при увеличении фактических значений приводят к ухудшению технического состояния корабельных дизелей. ЭПП и ЭПО привязываются к шкале следующим образом: ЭПП=0; ЭПП=9; ЭПО=9; ЭПO=0. Значение ТС определяется по формуле:
ЭПП
факт
ЭПП
где σ - стандартное отклонение для прямых эксплуатационных показателей; ЭПП - фактическое значение прямого эксплуатационного показателя; М - среднее арифметическое значение прямого эксплуатационного показателя.
ЭПП
Стандартное отклонение для прямых эксплуатационных показателей σ определяется по формуле:
min
mах
где ЭПП - минимальное значение прямого эксплуатационного показателя; ЭПП - максимальное значение прямого эксплуатационного показателя.
ЭПП
Среднее арифметическое значение М определяется по формуле:
ЭПО
Значение ТС определяется по формуле:
ЭПО
факт
ЭПО
где σ - стандартное отклонение для обратных эксплуатационных показателей; ЭПО - фактическое значение обратного эксплуатационного показателя; М - среднее арифметическое значение обратного эксплуатационного показателя.
ЭПО
Стандартное отклонение σ определяется по формуле:
min
max
где ЭПО - минимальное значение обратного эксплуатационного показателя; ЭПО - максимальное значение обратного эксплуатационного показателя.
ЭПО
Среднее арифметическое значение М определяется по формуле:
Комплексное техническое состояние ТС определяется по формуле:
ЭПП
ЭПО
где ∑ ТС - сумма значений прямых эксплуатационных показателей; ∑ ТС - сумма значений обратных эксплуатационных показателей; n - общее количество измеряемых эксплуатационных показателей.
Категории технического состояния выделяются следующим образом:
I категория: 0≤ТС≤3 (интенсивная скорость изменения технического состояния, сопровождается притиркой сопряженных деталей в процессе обкатки и износом механических неровностей, которые остались после механической обработки).
II категория: 3<ТС≤6 (стабилизация технического состояния, сопровождается незначительным износом сопряженных деталей до полного износа упрочненного слоя).
III категория: 6<ТС≤9 (резкое ухудшение технического состояния, сопровождается внезапным выходом эксплуатационных показателей за рамки нормативно-технической документации, что может привести к аварии корабельного дизеля).
Пример
Дано: корабельный дизель типа 16Д49.
max
min
факт
Tгц=660°C;Tгц=585°С; Тгц=635°С.
max
min
факт
Тжц=97°С; Тжц=73°С; Тжц=87°С.
Тм max=78°С; Тм min=40°С; Тмфакт=57°С.
z
z
z
P max=16,6 МПа; P min=15,9 МПа; P факт=16,4 МПа.
0
0
0
Р max=0,98 МПа; Р min=0,59 МПа; Р факт=0,78 МПа.
Определить: категорию технического состояния.
Решение:
min
max
Тгц
Тгц - температура выпускных газов на выходе из цилиндров; тип: ЭПП (увеличение температуры газов на выходе из цилиндров приводит к ухудшению технического состояния корабельного дизеля); привязывается к шкале следующим образом: Тгц=0; Тгц=9. Стандартное отклонение σ определятся по формуле:
Тгц
Стандартное отклонение σ составляет:
Тгц
Среднее арифметическое значение М определяется по формуле:
Тгц
Среднее арифметическое значение М составляет:
Тгц определяется по формуле:
Значение Тгц составляет:
min
max
Tжц
Тжц - температура охлаждающей жидкости на выходе из дизеля; тип: ЭПП (увеличение температуры охлаждающей жидкости на выходе из дизеля приводит к ухудшению технического состояния корабельного дизеля); привязывается к шкале следующим образом: Тжц=0; Тжц=9. Стандартное отклонение σ определятся по формуле:
Tжц
Стандартное отклонение σ составляет:
Тжц
Среднее арифметическое значение М определяется по формуле:
Тжц
Среднее арифметическое значение М составляет:
Тжц определяется по формуле:
Значение Тжц составляет:
min
max
Тм
Тм - температура масла на входе в дизель; тип: ЭПО (увеличение температуры масла на выходе в дизель Тм приводит к ухудшению технического состояния корабельного дизеля); привязывается к шкале следующим образом: Тм=0; Тм=9. Стандартное отклонение σ определятся по формуле:
Тм
Стандартное отклонение σ составляет:
Тм
Среднее арифметическое значение М определяется по формуле:
Тм
Среднее арифметическое значение М составляет:
Тм определяется по формуле:
Значение Тм составляет:
z
z
zmin
zmax
Рz
P - максимальное давление сгорания в цилиндрах; тип: ЭПП (увеличение давления сгорания в цилиндрах P приводит к ухудшению технического состояния корабельного дизеля); привязывается к шкале следующим образом: P=0; P=9. Стандартное отклонение σ определятся по формуле:
Pz
Стандартное отклонение σ составляет:
Pz
Среднее арифметическое значение M определяется по формуле:
Pz
Среднее арифметическое значение M составляет:
z
P определяется по формуле:
z
Значение P составляет:
0
0max
0min
P0
Р - давление масла на входе в дизель; тип: ЭПП (увеличение давления масла на входе в дизель приводит к ухудшению технического состояния корабельного дизеля); привязывается к шкале следующим образом: P=0; P=9. Стандартное отклонение σ определятся по формуле:
Р0
Стандартное отклонение σ составляет:
Р0
Среднее арифметическое значение М определяется по формуле:
Р0
Среднее арифметическое значение М составляет:
0
Р определяется по формуле:
0
Значение Р составляет:
16Д49
Комплексное техническое состояние корабельного дизеля 16Д49 ТС определяется по формуле:
16Д49
Комплексное техническое состояние корабельного дизеля 16Д49 ТС составляет:
Техническое состояние корабельного дизеля типа 16Д49 соответствует II категории, которая сопровождается стабилизацией технического состояния, незначительным износом сопряженных деталей до полного износа упрочненного слоя.
Заявленный метод оценки технического состояния корабельных дизелей в условиях эксплуатации позволяет выделить категории технического состояния корабельных дизелей на основе перевода фактических значений эксплуатационных показателей в безразмерную величину путем расчета комплексного технического состояния.