Διάγνωση υπερπληρωτή δίχρονου ναυτικού κινητήρα μέσω υπολογισμού και ανάλυσης των θερμοδυναμικών του μεγεθών

Abstract

Ο υπερπληρωτής είναι αναμφισβήτητα ένα από τα πιο σημαντικά τμήματα ενός κινητήρα –ιδιαίτερα ενός ναυτικού κινητήρα Diesel-και χρησιμοποιείται για την αύξηση της ισχύος του.Ωστόσο, η κακή λειτουργία του μπορεί να επηρεάσει αρνητικά τον κινητήρα όσον αφορά στην κατανάλωση, στην απόκριση κατά την αλλαγή φορτίου, καθώς και στο χρόνο ζωής του. Επομένως , γίνεται αντιληπτή η σημασία της διάγνωσης της λειτουργίας του υπερπληρωτή, ώστε να προβλεφθεί ή να διορθωθεί η κακή λειτουργία του.

Πρέπει να τονισθεί ότι οι κατασκευάστριες εταιρείες των υπερπληρωτών συνήθως δεν παρέχουν τους χάρτες λειτουργίας των στροβιλομηχανών, γεγονός που δυσκολεύει τη διαδικασία διάγνωσης τους. Επομένως, έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον να εξεταστεί και να διερευνηθεί η δυνατότητα διάγνωσης της κατάστασης του υπερπληρωτή μέσω θερμοδυναμικής ανάλυσης των μετρήσεων που είναι διαθέσιμες για αυτόν.

Σκοπός της εργασίας λοιπόν είναι η διάγνωση της λειτουργίας του υπερπληρωτή ναυτικών κινητήρων μέσω των χαρακτηριστικών θερμοδυναμικών μεγεθών που τον προσδιορίζουν , όπως οι ισεντροπικοί βαθμοί απόδοσης συμπιεστή και στροβίλου καθώς και οι σχετικές θερμοκρασίες και πιέσεις εισόδου/εξόδου από αυτούς. Για αυτό το λόγο, έχουμε στη διάθεση μας δύο σειρές μετρήσεων : μία για τις εργοστασιακές δοκιμές (shoptest) , καιμία για την κανονική λειτουργία του πλοίου στη θάλασσα (seatrials) . Θα συγκριθούν λοιπόν οι τιμές των χαρακτηριστικών θερμοδυναμικών μεγεθών που καταγράφηκαν κατά τις εργοστασιακές δοκιμές (shoptest) και κατά την κανονική λειτουργία του πλοίου στη θάλασσα (seatrials). Μέσω της παραπάνω σύγκρισης και ανάλυσης, θα εξαχθούν τα συμπεράσματα για την κατάσταση του υπερπληρωτή του συγκεκριμένου ναυτικού κινητήρα, ο οποίος είναι βραδύστροφοςεπτακύλινδρος δίχρονοςDieselυπερπληρωμένος από2 παράλληλα ζεύγη υπερπλήρωσης, με μέγιστη ισχύ 29912 KWστις 107,4 στροφές.

Επιπρόσθετα θα διερευνηθούν και τα προβλήματα που προκύπτουν κατά τηνδιαδικασία αυτή αλλά και τα σφάλματα που υπεισέρχονται κατά τους υπολογισμούς. Τέλος θα εξεταστεί η χρήση τρόπων βελτίωσης των αποτελεσμάτων μέσω διόρθωσης των θερμοκρασιών που μετρήθηκαν πειραματικά.

Για τους υπολογισμούς που θα ακολουθήσουν είναι απαραίτητες βασικές γνώσεις θερμοδυναμικής και για το λόγο αυτό στα πρώτα κεφάλαια θα γίνει σύντομη περιγραφή των βασικών θερμοδυναμικών εννοιών. Συγκεκριμένα παρατίθενται στοιχεία της θερμοδυναμικής αλλά και καύσεως τυπικών καυσίμων που χρησιμοποιούνται σήμερα από εμβολοφόρους Μ.Ε.Κ. Όμοια, επειδή η εργασία επικεντρώνεται σε ναυτικούς κινητήρες, κρίθηκε σκόπιμο να γίνει μια σύντομη περιγραφή αυτών έτσι ώστε να επεξηγηθούν βασικοί όροι που θα χρησιμοποιηθούν στη συνέχεια. Αντίστοιχα θα γίνει μια εισαγωγή στις στροβιλομηχανές καθώς η απόδοση του συμπιεστή και του στροβίλου σχετίζεται άμεσα με αντικείμενο της εργασίας.

The turbocharger is undisputably one of the vital parts of a piston engine –especially in the case of a marine Diesel engine- and is used for increasing its power output. However, its bad operation may negatively affect the engine in terms of fuel consumption, of transient operation during load change, and the duration of its life. Therefore, it is easily understood that the turbocharger diagnosis is crucial for the prediction and the fixing of its bad operation.

It has to be underlined that turbocharger manufacturers rarely provide the operating staff of a ship with the the maps of turbomachines, which makes it rather difficult to conduct their diagnosis. As a result, It becomes increasingly important to examine and evaluate the possibility of conducting a turbocharger diagnosis by analyzing thermodynamically the measurements provided for the specific turbocharger.

The specific aim of this thesis is therefore to diagnose the operation of the turbocharger of a vessel by using only the basic and characteristic thermodynamic figures that define its operation, such as the isentropic efficiency factor of both the compressor and the turbine, and the inlet and outlet pressures and temperatures. For this reason, two series of measurements will be used : measurements that were conducted by the manufacturer (shop tests), and measurements conducted during the operation of the vessel while at sea (sea trials). These two series of measurements will be compared to one another and there will be final conclusions concerning the condition of the turbocharger of the particular engine, which is a slow running twin-turbocharged 7-cylinder marine Diesel engine with a maximum power output of 29212 KW at 107,4 rpm.

Moreover, there will be discussion and analysis on the problems occurring during the above process, as well as on the errors contained in the calculations. Finally, research and suggestions will be made on ways of improving the credibility of the results of the calculations by correcting the values of the temperatures measured, wherever needed.

In order to ensure better understanding of the calculations and the processes that will follow , it is necessary to cite the basic thermodynamic theory, in the first chapters. Specifically, basic structure of thermodynamics and combustion will be cited, as long as they define the operation of modern internal combustion engines. Similarly, as long as the thesis focuses on marine engines, there will be a relatively short description on how they are categorized and operated. In the same context, an introduction to the basic knowledge of turbomachinery will take place, as the efficiency of the compressor and of the gas turbine are strongly related to the objective of this thesis.