Прогнозирование эксплуатационных режимов главных двигателей транспортных судов внутреннего плавания

В настоящее время проблеме экономии топливно-энергетических ресурсов уделяется особое внимание. На водном транспорте эта проблема должна решаться как в процессе эксплуатации судов и их энергетических установок, так и при их проектировании.

При решении рассматриваемой проблемы в условиях эксплуатации важное место занимает главный дизель в составе гидромеханического комплекса: главный двигатель — передача — движитель — корпус. Режимы работы зависят в первую очередь от воздействия на судно различных эксплуатационных факторов. При этом в любой момент времени уровень нагрузки на главные судовые двигатели определяется положением винтовой характеристики и частотой вращения вала, задаваемой судоводителем для поддержания требуемой скорости движения судна. Следует учитывать также возможные изменения положения винтовых характеристик в результате воздействия ветра, волнения, обрастания и коррозии корпуса и движителей, загрузки судна и др.

Актуальность. Прогнозирование эксплуатационных режимов работы главных двигателей транспортных судов является ключевой задачей в процессе эксплуатации. Решение её позволит планировать оптимальные, с точки зрения экономии топлива, рейсы и тем самым рационально использовать топливно-энергетические ресурсы, сокращать эксплуатационные расходы и, в результате, значительно повысить эффективность перевозок. Располагая информацией о предстоящих районах плавания судов и вероятных условиях их эксплуатации, можно уже на стадии проектирования обоснованно назначать необходимые запасы мощности главных двигателей, обеспечивая тем самым эффективную и безаварийную их работу.

В связи с этим, задача разработки более эффективных методов прогнозирования эксплуатационных режимов главных двигателей в изменяющихся условиях эксплуатации, по сравнению с известными, является актуальной и требует дальнейшего изучения.

Режимы работы главных судовых двигателей, как отмечалось раньше, обусловлены совокупным воздействием на судно различных эксплуатационных факторов, а также техническим состоянием элементов гидромеханического комплекса. В предлагаемой новой методике прогнозирования эксплуатационных режимов за счёт использование усовершенствованной математической модели, по сравнению с ранее используемыми моделями, и учёта дополнительных эксплуатационных факторов существенно повышается достоверность результатов прогнозирования, как на стадии проектирования судов, так и в процессе их эксплуатации.

Как известно, эксплуатационные режимы движения судов внутреннего плавания значительно отличаются от соответствующих режимов судов, предназначенных для плавания в морях и океанах. На режим их движения оказывают влияние, например, такие факторы:

— переменная глубина акватории;

— извилистость фарватера;

— узость судового хода.

Эти и другие факторы оказывают существенное влияние на режим работы гидромеханического комплекса и, как следствие, возникают следующие явления:

— перераспределение нагрузки между главными двигателями;

— периодическая работа главных двигателей по ограничительным характеристикам;

— движение судна на малых скоростях и, следовательно, работа главных двигателей на пониженных оборотах;

— работа главных двигателей, передач и гребных винтов на нерасчётных режимах;

— повышенные требования к безопасности движения судов;

— и т. д.

Всё это делает рассматриваемую задачу особенно важной для судов внутреннего плавания.

Центральной задачей, при решении задачи прогнозирования эксплуатационных режимов главных судовых двигателей, является повышение достоверности оценки расхода топлива на любых эксплуатационных режимах. В качестве инструмента такой оценки целесообразно использовать универсальную характеристику.

Для решения рассматриваемой задачи существует необходимость в создании информационно-параметрической модели, которая должна содержать количественные оценки параметров судового хода, а также оперативные и статистические данные о гидрометеорологических условия плавания в планируемом рейсе.

Именно в такой постановке задача и была решена.

Цель работы. Основной целью выполненного исследования является разработка методики получения прогнозной оценки эксплуатационных режимов главных двигателей транспортных судов внутреннего плавания в изменяющихся условиях судового хода.

Достижение намеченной цели потребовало решения следующих задач:

1. Проведения сравнительного анализа методов прогнозирования эксплуатационных режимов работы главных двигателей.

2. Критической оценки существующих методов учёта влияния эксплуатационных факторов на режимы работы гидромеханического комплекса.

3. Оценки точности существующих методов определения расхода топлива, применяемых при математическом моделировании.

4. Проведения анализа существующих методов учёта технического состояния элементов гидромеханического комплекса.

5. Получения математической модели гидромеханического комплекса водоизмещающего судна, ориентированной на решение рассматриваемой задачи.

6. Разработка информационно-параметрической модели судового хода.

Объект исследования. В качестве объектов исследования в работе рассматриваются дизельные двигатели, работающие в составе гидромеханических комплексов транспортных судов внутреннего плавания.

Предмет исследования. Эксплуатационные режимы работы главных двигателей транспортных судов внутреннего плавания.

Методы исследования.

Работа выполнена с применением методов прогнозирования, математического моделирования, численных методов решения дифференциальных уравнений, математической статистики и оптимизации.

Научная новизна.

Предложена новая методика прогнозирования эксплуатационных режимов работы главных двигателей транспортных судов внутреннего плавания.

Получена математическая модель гидромеханического комплекса транспортного судна, предназначенная для решения задач прогнозирования эксплуатационных режимов работы главных двигателей в изменяющихся условиях эксплуатации.

Предложен алгоритм оптимизации эксплуатационных режимов главных двигателей по критерию минимума расхода топлива за рейс при ограничении времени перехода судна.

Достоверность результатов обеспечивается удовлетворительным, с точки зрения практического использования, совпадением результатов выполненных расчётов с экспериментальными данными.

Диссертация состоит из четырёх глав и заключения.

В первой главе приводится краткий обзор существующих методов прогнозирования режимов работы главных двигателей транспортных судов. Даётся критический анализ существующих методов учёта влияния эксплуатационных факторов на режимы работы гидромеханического комплекса и изменения его технического состояния. Дана оценка точности существующих подходов к определению расхода топлива, применяемых при математическом моделировании. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Во второй главе приводятся сведения по подготовке и проведению пассивного эксперимента, поставленного на судах типа «Волго-Дон», и, использованной в нём, усилительной и регистрирующей аппаратуре.

Также приводятся сведения по обработке результатов эксперимента, производится оценка статической погрешности измерения режимных параметров работы главных двигателей и движения судна.

В третьей главе представлена предлагаемая методика прогнозирования эксплуатационных режимов главных двигателей транспортных судов.

Описывается предлагаемая прогнозная модель режимов работы главных двигателей в условиях эксплуатации, а также производится проверка на адекватность полученной математической модели.

Кроме того, в этой главе описывается информационно-параметрическая модель судового хода, используемая в предложенной методике прогнозирования.

В четвёртой главе приводится описание полученного алгоритма оптимизации эксплуатационных режимов главных двигателей, основанного на использовании предлагаемой методики прогнозирования режимов работы главных двигателей. Данный алгоритм создан для решения задачи нахождения оптимальных по топливной экономичности режимов движения транспортных судов.

Даётся описание реализации предложенного оптимизационного алгоритма в разработанной компьютерной программной системе REJ1MOPT.

В заключении приводятся основные результаты диссертационного исследования, к числу которых можно отнести:

1. Разработана методика прогнозирования эксплуатационных режимов главных двигателей транспортных судов внутреннего плавания в реальных условиях эксплуатации.

2. Получена и проверена математическая модель, ориентированная на решение задач прогнозирования эксплуатационных режимов главных двигателей, позволяющая учитывать влияние основных эксплуатационных факторов и ухудшение технического состояния гидромеханического комплекса.

3. Для информационной поддержки решения задач имитационного моделирования режимов движения водоизмещающих судов создана компьютерная информационно-параметрическая модель судового хода реки Волга.

4. Разработан и апробирован алгоритм оптимизации эксплуатационных режимов главных двигателей. Решаемая задача оптимизации трактуются как задача нахождения программного управления режимами главных двигателей обеспечивающего минимальный расход топлива за рейс при заданном времени перехода судна.

5. Создана компьютерная программная система REJIMOPT, в которой реализуется предложенная методика прогнозирования и разработанный алгоритм оптимизации.

6. Результаты исследования внедрены в ОАО «Судоходная компания «Волжское пароходство» .

7. Полученная математическая модель является достаточно универсальной и может быть рекомендована к применению для различных типов водоизмещающих судов.

8. Предложенная методика прогнозирования и алгоритмы оптимизации эксплуатационных режимов главных двигателей, при определённых изменениях, могут быть использованы не только для судов внутреннего плавания.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на десяти международных, всероссийских и региональных научно-технических конференциях, а также, опубликованы в трёх научных сборниках.

6. Результаты исследования внедрены в ОАО «Судоходная компания «Волжское пароходство» (см. приложение).

Основные положения диссертации опубликованы в 13 сборниках статей и тезисов докладов.

По основным положениям диссертационной работы были сделаны доклады на:

1. Седьмой международной конференции Нева-2003 «Российское судостроение и судоходство на мировом рынке» (г. Санкт-Петербург, 2003 г.).

2. Всероссийской научно-технической конференции имени В. М. Керичева «Современные технологии в кораблестроительном образовании, науке и производстве». (г.Н.Новгород, 2002 г.).

3. Региональном молодёжном научно-техническом форуме «Будущее технической науки нижегородского региона» (г.Н.Новгород, 2002 г.).

4. Несколько докладов было сделано на научных конференциях и семинарах профессорско-преподавательского состава ВУЗов Нижнего Новгорода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По результатам проведённого исследования можно сделать следующие выводы и рекомендации:

1. Разработана методика прогнозирования эксплуатационных режимов главных двигателей транспортных судов в реальных условиях эксплуатации.

2. Получена и проверена математическая модель работы гидромеханического комплекса, ориентированная на решение задач прогнозирования эксплуатационных режимов главных двигателей, позволяющая учитывать влияние основных эксплуатационных факторов и ухудшение технического состояния гидромеханического комплекса.

3. Создана компьютерная информационно-параметрическая модель судового хода реки Волга для информационной поддержки решения задач имитационного моделирования режимов движения водо-измещающих судов.

4. Разработан и апробирован алгоритм оптимизации эксплуатационных режимов главных двигателей основанный на предложенной методике прогнозирования. Решаемая задача оптимизации трактуются как задача нахождения программного управления режимами главных двигателей обеспечивающего минимальный расход топлива за рейс при заданном времени перехода судна.

5. Создана компьютерная программная система, в которой реализуется разработанная методика прогнозирования и алгоритм оптимизации.

6. Полученная математическая модель является достаточно универсальной и может быть рекомендована для применения не только судов транспортного флота, но и для других типов водоизмещаю-щих судов.

7. Предложенная в рамках данного диссертационного исследования методика прогнозирования и алгоритмы оптимизации эксплуатационных режимов главных двигателей, при некоторых изменениях, могут быть рекомендованы к применению не только для внутреннего плавания, но и для других классов судов.