Software development for the solution of hydrodynamic lubrication problems in main bearings of marine Diesel engines

Abstract

H τριβή είναι μια από τις πιο σημαντικές αιτίες απώλειας ενέργειας σε μηχανολογικά συστήματα. Στα πλοία, σημαντικές απώλειες τριβής παρουσιάζονται στους κινητήρες Diesel για την πρόωση και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (ελατήρια εμβόλου, έδρανα ζυγώματος, κύρια έδρανα και έδρανα διωστήρα), στα έδρανα ολίσθησης των αξονικών συστημάτων πρόωσης (έδρανα χοάνης και έδρανα γραμμής), στο ωστικό έδρανο και στον μειωτήρα στροφών (εάν υπάρχει). Στους κινητήρες Diesel, περίπου το 3% της ενέργειας του καυσίμου χάνεται σε τριβές. στα πλοία, το ετήσιο κόστος καυσίμου ανάγεται στο 80%-90% του συνολικού κόστους λειτουργίας. Τα έδρανα ολίσθησης εμπίπτουν στην κατηγορία των εδράνων υδροδυναμικής λίπανσης. Χρησιμοποιούνται για να παραλάβουν ακτινικά φορτία αξόνων, αναπτύσσοντας υδροδυναμική πίεση σε ένα λεπτό στρώμα λιπαντικού, το οποίο διαχωρίζει τον άξονα από το έδρανο. Στους κινητήρες Diesel, τα έδρανα βάσεως δέχονται τα χρονικά μεταβαλλόμενα φορτία που επενεργούν στον περιστρεφόμενο στροφαλοφόρο άξονα. Οι απώλειες τριβής στα κύρια έδρανα αντιστοιχούν σε περίπου 25% των συνολικών απωλειών του κινητήρα. Η παρούσα εργασία στοχεύει στην ανάπτυξη λογισμικού για την επίλυση προβλημάτων υδροδυναμικής λίπανσης σε έδρανα ολίσθησης με μεταβλητό φορτίο. Για τον σκοπό αυτόν, αναπτύχθηκαν δύο διαφορετικά μοντέλα. Το πρώτο μοντέλο επιλύει την κλασσική εξίσωση Reynolds με συνοριακές συνθήκες τύπου Reynolds. Το μοντέλο αυτό παρέχει ακριβή εκτίμηση της πίεσης του λιπαντικού στην ενεργή περιοχή του στρώματος λαδιού, ωστόσο, παραβιάζεται η διατήρηση της μάζας στην περιοχή σπηλαίωσης του εδράνου. Το δεύτερο μοντέλο, βασιζόμενο στον αλγόριθμο Elrod-Adams, επιλύει την εξίσωση Reynolds τόσο στην ενεργή περιοχή του εδράνου, όσο και στην περιοχή του εδράνου που υφίσταται σπηλαίωση, λαμβάνοντας υπόψιν το φαινόμενο αυτό, και υπολογίζοντας εκεί την πυκνότητα του μίγματος αέρα-λιπαντικού. Τα δύο μοντέλα έχουν επεκταθεί ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε έδρανα και άξονες με υδροφοβικές ιδιότητες στις επιφάνειές τους. Οι διαφορικές εξισώσεις επιλύονται χρησιμοποιώντας την μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών. Οι πραγματοποιούμενοι υπολογισμοί επικυρώθηκαν με αποτελέσματα τα οποία είναι δημοσιευμένα στη βιβλιογραφία. Τα υπολογιστικά εργαλεία που αναπτύχθηκαν, εφαρμόστηκαν για τον υπολογισμό των λειτουργικών χαρακτηριστικών των εδράνων ενός τυπικού μεγάλου δίχρονου κινητήρα Diesel. Εξετάστηκαν δύο διαφορετικές συνθήκες φόρτισης που αντιστοιχούν στο 100% και στο 25% της μέγιστης συνεχούς ισχύς του κινητήρα. Για λόγους απλότητας, εφαρμογή έγινε σε έναν μόνο κύλινδρο του κινητήρα. Αρχικά, οι δυνάμεις που δέχονται τα έδρανα, συμπεριλαμβανομένων των δυνάμεων αδρανείας και αερίων, υπολογίστηκαν για το έδρανο αναφοράς, και πραγματοποιήθηκε παραμετρική ανάλυση, ώστε να διαπιστωθεί η επίδραση των βασικών σχεδιαστικών παραμέτρων στην απόδοση του εδράνου. Στη συνέχεια, τμήμα της επιφάνειας του εδράνου θεωρήθηκε ότι έχει υποστεί επιφανειακή κατεργασία με την μορφή υδροφοβικότητας ή τεχνητής επιφανειακής τραχύτητας. Κατ’ αρχάς, αξιολογήθηκε η επίδραση αυτών των κατεργασιών στη συμπεριφορά του εδράνου, και, εν συνεχεία, πραγματοποιήθηκε λεπτομερής παραμετρική ανάλυση, ώστε να προσδιορισθούν οι βέλτιστες τιμές των σχεδιαστικών παραμέτρων.

Friction is one of the most important causes of energy losses in mechanical systems. In ships, substantial friction losses are present in the propulsion and power generation Diesel engines (piston ring pack, guide shoe bearings, main bearings and connecting rod bearings), in the journal bearings of the propulsion shafting system (stern-tube and line bearings), in the thrust bearing and in the gearbox unit(s). In Diesel engines, approximately 3% of fuel energy is lost to friction; in ships, the annual fuel cost is 80%-90% of the total running cost. Journal bearings fall into the category of fluid film bearings. They are used to support radial shaft loads by developing hydrodynamic pressure in a thin lubricant film that separates the shaft from the bearing. In Diesel engines, the main bearings support the time-dependent loads acting on the rotating crankshaft. Friction losses in the main bearings correspond to approximately 25% of the total engine losses. The present study aims at developing software tools for the solution of hydrodynamic lubrication problems in journal bearings under transient loading conditions. To this end, two different models have been developed. The first model solves the classical Reynolds equation with Reynolds boundary conditions. This model provides accurate prediction of lubricant pressure in the active film region, however, mass conservation is violated in the cavitating region of the bearing. The second model, based on the Elrod-Adams algorithm, solves the Reynolds equation in both the active and cavitating regions of the bearing, taking into account gaseous cavitation, and calculating the corresponding density of the lubricant-gas mixture. The two models have been extended to account for bearing or shaft surfaces with hydrophobic characteristics. The differential equations are solved using the Finite Difference Method (FDM). The present calculations have been validated against results published in the literature. The developed tools have been applied to compute the performance characteristics of the main bearings of a typical large two-stroke marine Diesel engine. Two loading conditions have been considered, corresponding to power output equal to 100% and 25% of the engine MCR. For simplicity, a single cylinder of the engine has been considered. At first, the bearing forces, including inertia and gas pressure forces, have been calculated for the two loading conditions of the present study. Next, calculations have been performed for a reference bearing design, and a parametric analysis has been conducted to identify the effect of the main design parameters of the bearing on its performance characteristics. Subsequently, part of the bearing surface has been assumed to have undergone surface treatment in the form of hydrophobicity or artificial surface texturing. The effect of those surfaces treatment technologies on the reference design has been assessed, and a detailed parametric analysis has been performed to identify optimum design parameter values.