Ανάπτυξη λογισμικού για την επίλυση προβλημάτων υδροδυναμικής λίπανσης σε ελατήρια εμβόλου δίχρονων ναυτικών κινητήρων diesel

Abstract

Το σύστημα πρόωσης συμβατικών πλοίων αποτελείται από μία ή περισσότερες κύριες μηχανές (συνήθως δίχρονους ή τετράχρονους κινητήρες Diesel), συζευγμένη/ες απευθείας ή μέσω μειωτήρα στροφών με την έλικα. Το αξονικό σύστημα του πλοίου μεταδίδει την περιστροφική ισχύ της κύριας μηχανής στην έλικα, και την ώση της έλικας στη γάστρα του πλοίου. Η τριβή αποτελεί σημαντική αιτία απωλειών ενέργειας στα συστήματα πρόωσης πλοίου. Στους κινητήρες Diesel, σημαντικές απώλειες τριβής παρουσιάζονται στα ελατήρια του εμβόλου, στα έδρανα του σταυρού, στα έδρανα βάσης και στα έδρανα του διωστήρα. Συνολικά, περίπου το 3% της ενέργειας του καυσίμου χάνεται λόγω της τριβής. Το αντίστοιχο κόστος είναι σημαντικό, λαμβάνοντας υπόψη ότι το ετήσιο κόστος καυσίμου ενός τυπικού πλοίου ανέρχεται περίπου σε 80-90% του συνολικού κόστους λειτουργίας του. Τα ελατήρια εμβόλου ενός κινητήρα Diesel είναι κυκλικά μεταλλικά δαχτυλίδια, που τοποθετούνται σε αύλακες στην εξωτερική διάμετρο των εμβόλων του κινητήρα. Χρησιμοποιούνται κυρίως προκειμένου να απομονώσουν τον θάλαμο καύσης από τον στροφαλοθάλαμο. Αυτό επιτυγχάνεται με την ανάπτυξη υδροδυναμικής πίεσης σε ένα λεπτό στρώμα λιπαντικού που διαχωρίζει την επιφάνεια του ελατηρίου από το χιτώνιο του κυλίνδρου. Πίεση αναπτύσσεται στο φιλμ, λόγω της παλινδρομικής κίνησης του εμβόλου. Οι απώλειες τριβής στα ελατήρια εμβόλου αντιστοιχούν στο 26% των συνολικών μηχανικών απωλειών. Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι διττός: (α) η ανάπτυξη υπολογιστικών εργαλείων για την επίλυση του προβλήματος της υδροδυναμικής λίπανσης σε ελατήρια εμβόλου υπό χρονικά μεταβαλλόμενες συνθήκες φόρτισης, και (β) η εφαρμογή τους για τη μελέτη της απόδοσης των ελατηρίων εμβόλου σε μεγάλους δίχρονους ναυτικούς κινητήρες Diesel. Τα ελατήρια εμβόλου λειτουργούν στην περιοχή της υδροδυναμικής λίπανσης, η οποία διέπεται από την εξίσωση Reynolds. Τα υπολογιστικά εργαλεία που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας επιλύουν την εξίσωση Reynolds με δύο διαφορετικές οριακές συνθήκες. Η πρώτη είναι η απλή οριακή συνθήκη Reynolds, η οποία παρέχει ακριβή πρόβλεψη της πίεσης του λιπαντικού στην ενεργό περιοχή του φιλμ, παραβιάζοντας όμως τη διατήρησης της μάζας στην περιοχή της σπηλαίωσης. Προκειμένου να αμβλυνθεί αυτό το μειονέκτημα, χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο διατήρησης της μάζας των Elrod-Adams, το οποίο προβλέπει με ακρίβεια τη συμπεριφορά του λιπαντικού και στην ενεργό αλλά και στη σπηλαιούμενη περιοχή του ελατηρίου. Εν συνεχεία, τα παραπάνω υπολογιστικά μοντέλα επεκτάθηκαν κατάλληλα ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε περιπτώσεις που η επιφάνεια του ελατηρίου έχει υδροφοβικές ιδιότητες. Οι προκύπτουσες διαφορικές εξισώσεις επιλύθηκαν με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών (Finite Difference Method - FDM), και οι υπολογισμοί επικυρώθηκαν με αποτελέσματα της διεθνούς βιβλιογραφίας. Το αναπτυχθέν λογισμικό εφαρμόστηκε για τον υπολογισμό των χαρακτηριστικών λειτουργίας των ελατηρίων ενός τυπικού μεγάλου δίχρονου ναυτικού κινητήρα Diesel. Θεωρήθηκαν δύο καταστάσεις φόρτισης που αντιστοιχούν σε αποδιδόμενη ισχύ ίση με 100% και 25% της μέγιστης συνεχούς ισχύος του κινητήρα. Αρχικά, έγιναν υπολογισμοί για ένα ελατήριο αναφοράς, και διεξήχθη παραμετρική ανάλυση προκειμένου να προσδιοριστεί η επίδραση των βασικών σχεδιαστικών παραμέτρων του ελατηρίου (καμπυλότητα / εκκεντρότητα, ιδιότητες του λιπαντικού κ.λπ.) στα λειτουργικά χαρακτηριστικά του. Στη συνέχεια, θεωρήθηκε ότι ορισμένες περιοχές του ελατηρίου έχουν υποστεί επιφανειακή κατεργασία με τη μορφή υδροφοβικότητας ή τεχνητής τραχύτητας. Κατ’ αρχάς, αξιολογήθηκε η επίδραση αυτών των κατεργασιών στη συμπεριφορά του ελατηρίου, και ακολούθησε λεπτομερής παραμετρική ανάλυση για τον προσδιορισμό των βέλτιστων τιμών των σχεδιαστικών παραμέτρων.

The propulsion system of conventional ships consists of one or more main engines (usually two- or four- stroke Diesel engines), coupled directly or by means of a reduction gearbox to the propeller. The shafting system of a ship transmits the main engine output power to the propeller, and, also, transmits the propeller thrust to the ship hull. Friction is a major cause of energy losses in marine propulsion systems. In Diesel engines, substantial friction losses are present at the piston ring assembly, at the guide shoe bearings, at the main bearings and at the connecting rod bearings. Overall, approximately 3% of fuel energy is lost to friction; the corresponding cost is substantial, taken into account that the annual fuel cost of a typical cargo vessel is approximately 80-90% of its total running cost. The piston rings of a Diesel engine are circular metallic rings, fitted into grooves at the outer diameter of the engine pistons. They are mainly used to isolate the combustion chamber from the crankcase. This is accomplished by development of hydrodynamic pressure in a thin film of oil that separates the ring face from the cylinder liner. Pressure is generated in the film due to the piston reciprocating motion. Friction losses in the piston ring pack correspond to approximately 26% of the total engine mechanical losses. The aims of the present study are twofold: (a) to develop software tools for the solution of hydrodynamic lubrication problems in piston rings under transient loading conditions, and (b) to apply those tools for studying the performance of piston rings in large two-stroke marine Diesel engines. Piston rings operate mainly in the regime of hydrodynamic lubrication, which is governed by the Reynolds equation. The tools developed in the course of the present study are capable of solving the Reynolds equation with two different types of boundary conditions. The first one is the simple Reynolds boundary condition, which provides accurate prediction of the lubricant pressure in the active film region, however, mass conservation is violated in the cavitating region. To alleviate this drawback, the Elrod‐Adams mass conserving model is implemented, which predicts accurately the lubricant behavior in both the active and the cavitating regions of the ring. The tools have been properly extended to account for piston ring surface with hydrophobic characteristics. Numerical solution of the differential equations is performed using the Finite Difference Method (FDM), and the resulting calculations have been validated against results published in the literature. The tools developed have been applied to compute the performance characteristics of the piston rings 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. At first, calculations have been performed for a reference ring design, and a parametric analysis has been conducted to identify the effect of the main design parameters of the ring (face curvature / offset, lubricant properties) on its performance characteristics. Next, regions of the ring face have been assumed to have undergone surface treatment in the form of hydrophobicity or artificial surface texturing. The effect of those surface treatment technologies on the reference design has been assessed, and a detailed parametric analysis has been performed to identify optimum design parameter values.