Предназначено для студентов, обучающихся по направлению "Техника и технологии кораблестроения и водного транспорта" по программам "Судовые энергетические установки", "Судовое оборудование, "Двигатели внутреннего сгорания", а также для специалистов, занимающихся разработкой, модернизацией и эксплуатацией судовых энергетических установок. <...> Отличительной особенностью монографии является то, что в ней впервые системно представлено обоснование возможности использования имитационного моделирования для обеспечения надежности и безопасности СЭУ. <...> Особое место также уделено разработке методик и рекомендаций по организации процедуры имитационного моделирования применительно к СЭУ, а также основным принципам и предпосылкам применения имитационного моделирования для прогноза и оценки надежности и безопасности главного судового дизеля. <...> Отличаются достаточной оригинальностью подходы автора к выбору основных соотношений для прогноза ресурсных показателей двигателя по различным критериям, установленным им в ходе опыта их эксплуатации и к расчету характеристик надежности дизеля как сложной системы. <...> Между тем, наметилась и новая тенденция перехода от ФОБ в чистом виде, оказавшейся, по мнению некоторых экспертов, сложной для массового примения (в частности из-за необходимости высокой квалификации реализующих данный метод специалистов), к ускоренному развитию идеи создания целевых стандартов постройки судов, которые будут естественно затрагивать и вопросы связанные с надежностью и безопасностью судовых энергетических установок (СЭУ). <...> Приемлемый уровень безопасности и надежности должен обеспечиваться и поддерживаться в течение всего срока службы судна и его энергетической установки, в частности судового дизеля. <...> Количественно риск определяется на втором этапе, а суммирование рисков обычно выполняется на основе «деревьев событий» (Events Tree) или «дерева отказа» (Fault Tree). <...> Кроме того, РС <...>
Применение_имитационного_моделирования_для_обеспечения_надежности_и_безопасности_судовых_энергетических_установок.pdf
УДК 621.43
ББК 31.365
М42
технических наук, профессор А.М.Никитин; доктор технических
наук, профессор А.Л.Кузнецов.
доктор технических наук, профессор Ю.Н.Мясников; доктор
Рецензенты:
Медведев В.В.
М42 Применение имитационного моделирования для обеспечения
надежности и безопасности судовых энергетических установок:
учебное пособие. – СПб.: Страта, 2013. – 352 с.
ISBN 978-5-906150-04-2
В учебном пособии рассмотрены вопросы, связанные с
применением имитационного моделирования для обеспечения
надежности и безопасности судовых энергетических установок на
разных этапах их проектирования. Особое внимание уделено
разработке методик и алгоритмов, используемых при подготовке и
реализации имитационного моделирования функционирования
компонентов «машина» и «рабочая среда» системы «человекмашина-среда».
Предназначено
для студентов, обучающихся по направлению
"Техника и технологии кораблестроения и водного транспорта" по
программам "Судовые энергетические установки", "Судовое
оборудование, "Двигатели внутреннего сгорания", а также для
специалистов, занимающихся разработкой, модернизацией и
эксплуатацией судовых энергетических установок.
Ил. 122. Табл. 18. Библиогр.: 338 назв.
УДК 621.43
ББК 31.365
ISBN 978-5-906150-04-2
© В.В.Медведев, 2013
© ООО «Страта», 2013
Стр.3
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ....................................................................3
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА............................................................................9
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................... 11
1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ И ВЫБОР ПУТЕЙ ЕЕ
РЕШЕНИЯ .................................................................................................... 19
1.1. Анализ данных по отказам, обзор литературных источников,
выбор методов исследования обеспечения надежности и
безопасности СЭУ ................................................................................... 19
1.2. Обоснование возможности использования имитационного
моделирования для обеспечения надежности и безопасности СЭУ ... 33
1.3. Разработка методики и рекомендаций по организации процедуры
имитационного моделирования применительно к СЭУ ...................... 39
ОГЛАВЛЕНИЕ
2. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ГЛАВНОГО
СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ ПО РЕСУРСНЫМ ПОКАЗАТЕЛЯМ .................. 55
2.1. Основные принципы и предпосылки применения имитационного
моделирования для прогноза и оценки надежности и безопасности
главного судового дизеля ....................................................................... 55
2.2. Выбор основных соотношений для прогноза ресурсных
показателей двигателя ............................................................................. 63
2.2.1. Прогнозирование остаточного ресурса деталей по критерию
износа ................................................................................................... 63
2.2.2. Прогнозирование наработки до отказа деталей по критерию
усталостной прочности ...................................................................... 68
2.2.2.1. Определение наработки деталей судовых ДВС до
образования видимых трещин ...................................................... 69
2.2.2.2. Оценка ресурса коленчатых валов судовых дизелей ..... 79
2.2.2.3. Оценка остаточной наработки до отказа детали с
трещиной ........................................................................................ 85
2.3. Основные подходы к расчету характеристик надежности дизеля
как сложной системы .............................................................................. 95
2.3.1. Аварийное предельное снижение мощности и частоты
вращения главного судового дизеля ................................................. 97
2.3.1.1. Определение параметров аварийного дизеля,
приводящих к его остановке из-за малости оборотов ................ 99
2.3.1.2. Определение параметров аварийного дизеля
приводящих к потере возможности управлять судном ............ 102
2.3.1.3. Аварийная работа дизеля при отключении
цилиндров ..................................................................................... 104
2.3.1.4. Аварийное состояние турбокомпрессоров ................... 106
2.3.2. Другие подходы ...................................................................... 108
2.4. Выводы по главе ............................................................................. 115
349
Стр.350
3. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ СЭУ ПО
УРОВНЯМ ВИБРАЦИИ И ШУМА ..........................................................117
3.1. Основные принципы и предпосылки применения имитационного
моделирования для прогноза и оценки уровней вибрации и шума ..117
3.2. Метод прогноза и оценки риска превышения предельно
допустимых уровней шума в машинном помещении с дизельной
энергетической установкой ..................................................................123
3.3. Метод прогноза и оценки риска превышения предельно
допустимых уровней шума и вибрации в помещениях судна с
дизельной энергетической установкой ................................................129
3.3.1. Обзор существующих методов расчета ................................130
3.3.2. Новый метод расчета динамически связанных конструкций с
высоким демпфированием ...............................................................136
3.3.3. Результаты сопоставления расчетов по новому методу
расчета динамически связанных конструкций с высоким
демпфированием с данными экспериментов .................................146
3.3.3.1. Результаты исследования высокодемпфированного
крупномасштабного стенд-макета ..............................................146
3.3.3.2. Результаты обработки данных по демпфированию
натурной модели корпуса стального судна покрытием из
мастики АДЕМ .............................................................................158
3.3.3.3. Расчетная оценка полученного эффекта демпфирования
подмоторной рамы дизель-генератора ДГ5АL25/30 покрытием
из мастики АДЕМ ........................................................................165
3.3.4. Пример выполнения прогноза риска превышения
нормативных значений уровней вибрации и шума в судовых
помещениях .......................................................................................170
3.3.5. Возможное направление развития предлагаемого метода
расчета звуковых вибраций высокодемпфированных сложных
динамических структур за счет учета энергии звукоизлучения ...173
3.3.6. Возможное направление использования предлагаемого
метода расчета для повышения надежности и безопасности
судовых дизелей................................................................................177
3.4 Выводы по главе ..............................................................................181
4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ПО
ТЕПЛОВОМУ СОСТОЯНИЮ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ СЭУ ............183
4.1. Основные принципы и предпосылки применения имитационного
моделирования для прогноза и оценки теплового состояния
деталей ....................................................................................................183
4.2. Результаты экспериментального и теоретического исследования
гидродинамики и теплообмена пристенных струй, вытекающих в
ограниченное пространство ..................................................................193
350
Стр.351
4.2.1. Визуализация течения ............................................................ 194
4.2.2. Экспериментальное исследование поля скоростей
в камерах с пристенными струями .................................................. 207
4.2.3. Математическая модель струйного течения
в ограниченном пространстве .......................................................... 214
4.2.3.1. Расчет границы плоской струи, вытекающей
в ограниченное пространство ..................................................... 215
4.2.3.2. Экспериментальное исследование распределения
статического давления в камере ................................................. 226
4.2.3.3. Поле скоростей и теплоотдача пристенной струи в
камере ............................................................................................ 230
4.2.4. Экспериментальное исследование теплообмена и
гидравлики на моделях лопатки соплового аппарата первой
ступени .............................................................................................. 243
4.2.4.1. Гидравлические испытания моделей, имитирующих
фрагменты внутренней полости сопловой лопатки со вставными
перегородками .............................................................................. 244
4.2.4.2. Расчет коэффициента расхода модели натурной
лопатки .......................................................................................... 253
4.2.4.3. Результаты гидравлических испытаний модели натурной
лопатки со вставными перегородками ....................................... 257
4.2.4.3. Тепловые испытания на модели, имитирующей
фрагмент внутренней полости пера сопловой лопатки ............ 259
4.2.4.4. Тепловые испытания модели натурной сопловой
лопатки .......................................................................................... 268
4.3. Расчет и сравнение теплового состояния лопатки с продольными
перегородками со штатной дефлекторной лопаткой ......................... 274
4.3.1. Температурное поле модельного варианта лопатки со
вставными перегородками ............................................................... 276
4.3.2. Тепловое состояние штатной дефлекторной лопатки ......... 278
4.3.3. Тепловое состояние лопатки с перегородками во
внутренней полости .......................................................................... 282
4.4. Пример применения прогноза и оценки риска превышения
допустимых уровней температур в деталях главных судовых
двигателей вследствие влияния технологических отклонений ......... 287
4.5. Выводы по главе ............................................................................. 292
5. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
МЕРОПРИЯТИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ НАДЕЖНОСТИ И
БЕЗОПАСНОСТИ СЭУ ............................................................................. 295
5.1 Выводы по главе ................................................................................... 313
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .......................................................................................... 315
Список литературы .................................................................................... 319
351
Стр.352