Файл: Смирнов, О. Р. Надежность судовых энергетических установок.pdf

вает иногда вибрацию валопровода вследствие совпадения частот собственных и вынужденных колебаний. Например, использование на ряде танкеров пятилопастных винтов вместо четырехлопастных значительно улучшило работу валопровода и передачи.

Кчетвертой группе относятся отказы, возникающие при дости­ жении изделиями предельного состояния. Причиной таких отказов является физический износ элементов установки. Элементы, предель­ ный износ которых меньше межремонтного ресурса, должны нахо­ диться в ЗИП с целью их замены в процессе эксплуатации. Такими элементами могут быть графитовые уплотнения выпускных золотни­ ков главных двигателей 9ДКРН 90/155, фторопластовые уплотни­ тельные кольца телескопической системы охлаждения поршней и др.

Котказам четвертой группы можно также отнести достижение отдельными элементами предельного состояния с точки зрения рентабельности эксплуатации; элементы, которые могут быть заме­ нены более экономичными (несмотря на то, что по физическому состоянию они сохранили работоспособность) эксплуатировать не­ целесообразно.

Кпятой группе относятся отказы, возникающие вследствие нескольких причин. Например, несоблюдение Правил технической эксплуатации может способствовать проявлению скрытых дефектов

вматериале деталей. Такие отказы появляются при недопустимой перегрузке двигателей и механизмов, несвоевременном профилакти­ ческом осмотре и ремонте и т. п. Могут быть смешанные отказы из-за конструктивных и технологических недостатков, например заклинивание гребного вала в дейдвудных подшипниках вследствие

большого набухания вкладышей из древесно-слоистых пластиков и неверно установленных зазоров и др. Сложные отказы, вызванные несколькими причинами, встречаются в эксплуатации довольно часто.

В классе V отказы рассматриваются в зависимости от времени возникновения. Иногда целесообразно подразделить их на две

группы.

Первая группа — так называемые приработочные отказы, кото­ рые возникают в период приработки новой установки (или нового элемента). Обычно в период приработки интенсивность отказа неко­ торых узлов выше, чем в последующий период эксплуатации. Приме­ рами таких отказов могут служить натиры специальных приработочных колец на поршнях некоторых ДВС, отказы подшипников сколь­ жения и др. Приработочные отказы возникают также после ремонта и замены (или перезаливки) некоторых узлов трения.

Норвежским Морским институтом [1021 было проведено иссле­ дование надежности ЭУ на 18 танкерах и навалочных судах в тече­ ние первого года эксплуатации. Результаты этого исследования показали, что наибольшее число отказов приходится на первый месяц работы установки, так как это связано с приработкой двига­ телей и механизмов и их освоением. Распределение отказов по меся­ цам первого года эксплуатации для всей установки и главного двигателя показано на гистограмме (рис. 2, а и б). На основании

22

проведенного исследования Регистр Ллойда рекомендует устана­ вливать для новых судов предыспытательный период в течение д ву х - шести недель.

Вторая группа — отказы, возникающие после окончания периода приработки.

Кроме приведенной классификации отказов возможны и другие подразделения: например, устойчивые и неустойчивые отказы (их иногда называют сбои в работе) или полные либо частичные отказы.

а)с

” 72

0

410

g 8

3 4

1 2

'2 2

I^ 46

2 НЬ

1 £345 61 Ь 9101111

Месяцы г

Рис. 2. Распределение отказов ЭУ по месяцам: всей установки (а), главного двига­ теля (б) и продолжительность режимов работы сухогрузного универсального судна и мощность установки на ходовых режимах (в).

Отказы отдельных элементов СЭУ в процессе эксплуатации оказывают различное влияние на ее работоспособность. Целесообраз­ ность использования при определении количественных характери­ стик надежности той или иной классификации отказов зависит от типа установки элемента или системы, условий их эксплуатации и поставленной задачи при исследовании надежности. Наиболее часто пользуются делением отказов по их последствиям на работу СЭУ (класс I в приведенной классификации).

§3. ОСОБЕННОСТИ НАДЕЖНОСТИ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

С УЧЕТОМ ЭКСПЛУАТАЦИИ В МОРСКИХ УСЛОВИЯХ

Многообразие функций, выполняемых СЭУ, ее многорежимность, большое количество элементов и сложность связей между ними, а таюце сложные условия эксплуатации СЭУ в морских условиях вызывают необходимость учета особенностей установок при оценке их надежности. Энергетическая установка не может рассматри­ ваться как независимый объект; она находится в неразрывной связи с судном, зависит от условий его эксплуатации и подчинена тем задачам, которые должно выполнять судно.

Отметим основные особенности СЭУ с точки зрения обеспечения их надежности.

23

Условия эксплуатации. Условия морской эксплуатации требуют, чтобы работоспособность СЭУ была обеспечена при длительном крене судна до 15°, дифференте до 5°, качке судна: бортовой до 45° и киле­ вой до 15°, а также во время шторма любой силы и продолжитель­ ности. Для этого в конструкции механического оборудования и при его размещении в машинно-котельных отделениях предусматривают ряд особенностей. Например, все двигатели и механизмы устанавли­ вают на прочных фундаментах во избежание деформации оборудо­ вания и трубопроводов при допустимой деформации корпуса судна.

Следует учитывать, что в отдельных случаях даже изменение загрузки судна на спокойной воде приводит к некоторой расцентровке двигателей, передач и валопровода. Например, при испыта­ ниях одного из танкеров с паротурбинной установкой (дедвейт танкера —50 тыс. т) в балласте 33 тыс. т и в полном грузу 48 тыс. т смещение центровки ТНД и редуктора изменилось на 0,07 мм, а из­ лом на 0,17 мм. На изменение центровки влияет также изменение температур воды в море и окружающей среды.

Во время штормовой погоды может происходить оголение греб­ ных винтов, что, несмотря на наличие соответствующих средств автоматики, приводит к резкому изменению нагрузки на двигатели.

Приемные кингстоны забортной воды необходимо располагать так, чтобы при любом положении судна вода поступала к объектам охлаждения СЭУ. Сточные цистерны циркуляционной системы смазки двигателей и валопровода должны быть так спроектированы, чтобы было обеспечено поступление масла к узлам трения при всех возможных условиях работы судна..

Во время маневров, при работе во льдах и некоторых других условиях плавания могут осуществляться многочисленные реверсы; у ледоколов, например, их число достигает 60—70 в час. При проек­ тировании судового оборудования, его изготовлении и монтаже сле­ дует учитывать указанные и многие другие условия морской эксплуа­ тации, чтобы уменьшить вероятность возникновения отказов.

При определении запасов рабочих тел (топлива, масла и др.) и расчете емкостей для их хранения условия эксплуатации учиты­ ваются коэффициентом морского запаса, в соответствии с которым расчетные значения запасов увеличивают на 10— 15%.

Автономность и дальность плавания. Морские суда могут дли­ тельное время находиться в отрыве от своих баз. Автономность мор­ ских транспортных судов в среднем принимается около 30 суток, а дальность плавания без пополнения запасов топлива может соста­ влять приблизительно 10 тыс. миль. Автономность транспортного

24

При определении автономности в продолжительность стоянки тбг 0 не включается время на ремонт, так как отказы на протяжении рейса должны восстанавливаться без остановки судна.

Автономность судов с атомными энергетическими установками не ограничена запасами ядерного горючего и практически зависит только от запасов продовольствия и физического состояния команды.

Для обеспечения заданной автономности судна необходимо при проектировании установки обеспечить соответствующую ее надеж­ ность и живучесть в условиях плавания судов в любых районах Мирового океана от полюсов до экватора. Это обусловливает ряд требований к некоторым элементам установки, например к системе охлаждения (резервирование насосов забортной воды по производи­ тельности), и необходимость повышения прочности валопровода и движителей (возможны удары лопастей гребного винта о льды в се­ верных широтах). В этих условиях резервирование некоторых эле­ ментов и наличие соответствующего комплекта запасных частей должны обеспечить возможность восстановления работоспособности установки без вывода судна из эксплуатации.

Если резервирование отказавшего элемента не предусмотрено и его восстановление в условиях эксплуатации невозможно (напри­ мер, отказ цилиндра главного дизеля), то плавание продолжают с выключенным элементом при пониженной мощности СЭУ до при­ хода в порт, где можно выполнить ремонт.

Многорежимность* Все СЭУ являются многорежимными, причем каждый из режимов работы СЭУ характеризуется своим составом работающих элементов, т. е. своей надежностью. Для транспорт­ ных судов определяющим, с точки зрения надежности, является ходовой режим, который занимает основную часть времени эксплуа­ тации и на котором работает большая часть элементов установки. Надежная работа установки на ходовом режиме является также условием обеспечения безопасности плавания. Однако и ряд кратко­ временных режимов, например обеспечение маневренных операций судна (швартовка, отход, прохождение каналов и т. п.), являются весьма ответственными. На таких режимах установка должна иметь высокие показатели безотказности. Время работы СЭУ на том или ином режиме в основном зависит от типа судна и заданного рейса.

В качестве примера на рис. 2, в приведен график режимов работы сухогрузного универсального судна с дизельной установкой. При дальности плавания 9000 миль и автономности та = 720 ч/рейс ходовое время тх составляет приблизительно 74% продолжитель­

35

На большинстве транспортных судов при нормальных условиях эксплуатации время маневрирования составляет менее 1%.

Сложность элементов* Многие элементы СЭУ отличаются боль­ шой конструктивной сложностью и разнообразием выполняемых задач (парогенераторы, главные и вспомогательные двигатели, ком­ прессоры и др.). Такие элементы сами представляют собой сложные системы по отношению к составляющим их деталям и узлам. Неко­ торые детали сложных элементов выполняют целый ряд разнообраз­ ных функций и в процессе работы подвержены различным воздей­ ствиям рабочей среды и других деталей. Например, рабочие втулки цилиндров ДВС испытывают, с одной стороны, воздействие газов высокого давления и высокой температуры, а с другой, — воздей­ ствие охлаждающей воды, воспринимают усилия трущихся частей, осуществляют отвод тепла от поршня, служат для герметизации ра­ бочих полостей и обеспечения движения поршней.

Резервирование* В СЭУ применяют различные схемы соедине­ ния элементов. Приведенные на рис. 3 схемы отражают функцио­ нальную связь между элементами с точки зрения надежности. Такие схемы носят название функциональных или структурных; их строят на основании принципиальных схем установок и их систем.

В СЭУ наиболее широко используют последовательное соеди­ нение элементов. Схема такого соединения показана на рис. 3, а. Оно отличается минимальным числом необходимых элементов. Од­ нако при такой схеме отказ любого из п элементов приводит к от­ казу того или другого класса (см. классификацию отказов) всей установки (системы).

Для повышения надежности установок и их систем применяют резервирование отдельных ответственных элементов, например: главных двигателей, циркуляционных насосов, насосов систем смазки и охлаждения двигателей; электрогенераторов судовой элек­ тростанции, сепараторов топлива и масла, фильтров и ряда других элементов.

Резервирование может осуществляться по параметрам механиз­ мов и двигателей (мощности,, производительности). Так, мощность главных двигателей обычно принимают на 10—20% больше расчет­ ного значения, для того чтобы обеспечить необходимую скорость хода судна, когда сопротивление его движению возрастет в резуль­ тате обрастания и износа корпуса судна, а также на волнении и при других погодных условиях; конденсатные и циркуляционные на­ сосы паротурбинных установок принимают с 30—40%-ным запасом по производительности для обеспечения нормальной работы уста­ новки при плавании судна в тропиках и повышенной температуре ‘охлаждающей воды. Схема такого резервирования условно показана на рис. 3, б (имеется в виду, что элемент 2 -резервирован по неко­ торым параметрам).

Резервирование может выполняться также по количеству эле­ ментов. В этом случае резервирование элементов различается схе­ мой включения. Выбор той или иной схемы зависит от условий эксплуатации.

26

Рис. 3. Схемы соединения и резервирования элементов в СЭУ: а — последователь­

27