НАУЧНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

Кафедра судовых двигателей внутреннего сгорания и дизельных установок Санкт-Петербургского государственного морского технического университета

190008, Россия, Санкт-Петербург, ул.Лоцманская, 3
Тел (812) 494-09-52 Факс (812) 713-81-09

e-mail: dvs@smtu.ru

НАУЧНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ

• Рабочие процессы, топливоподача, смесеобразование и горение, камеры сгорания, токсичность дизелей  [>>>]
• Крутильные, осевые, изгибные, случайные, ударные и связанные колебания судовых валопроводов [>>>]
• Двигатели с внешним подводом теплоты (двигатели Стирлинга) [>>>]
• Энергетические установки с поршневыми двигателями, работающими по замкнутому циклу [>>>];
• Ударовиброшумозащита установок с ДВС [>>>]
• Долговечность дизелей и их деталей, длительно работающих на переменных режимах [>>>]
• Формализованный анализ безопасной эксплуатации судовых дизелей [>>>]
• История техники [>>>]

 ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

По направлению Рабочие процессы, топливоподача, смесеобразование и горение, камеры сгорания, токсичность дизелей

• Инфракрасная пирометрия теплотехнических силовых установок (автор: Шаров Г.И.) [Подробнее]
• Снижение токсичности дизелей за счет дополнительного впрыска в камеру сгорания воздушного заряда (автор:  Шаров Г.И.)  [Подробнее]

По направлению Крутильные, осевые, изгибные, случайные, ударные и связанные колебания судовых валопроводов

• Расчет крутильных колебаний судовых валопроводов для предоставления в органы надзора за постройкой и эксплуатацией судов  (автор: Румб В.К.) [Подробнее]
• Расчет осевых колебаний судовых валопроводов для предоставления в органы надзора за постройкой и эксплуатацией судов  (автор: Румб В.К.) [Подробнее]
•  Исследование изгибных, случайных, ударных и связанных колебаний судовых валопроводов (автор:  Румб В.К.)  [Подробнее]

По направлению Двигатели с внешним подводом теплоты (двигатели Стирлинга)

• Машины по циклу Стирлинга – вопросы маркетинга, расчета, проектирования, изготовления, экспериментального исследования (автор: Столяров С.П.)  [[Подробнее]
• Тепло-массообменные процессы в жидкометаллической тепловой   (автор: Столяров С.П.) [Подробнее]
• Адаптация методов математического моделирования для организации инженерных расчетов теплофизических процессов в тепловых двигателях;
  (Автор: Столяров С.П.) [Подробнее]

По направлению  Энергетические установки с поршневыми двигателями, работающими по замкнутому циклу

• Энергетические установки подводных технических средств с воздухонезависимыми установками (автор: Столяров С.П.)  [Подробнее]

• Моделирование процессов и расчет параметров двигателей внутреннего сгорания, работающих в составе воздухонезависимых энергетических установок
  (Автор: Столяров С.П.) [Подробнее]
• Воздухонезависимые энергетические установки с двигателями Стирлинга
  (Автор: Столяров С.П.) [Подробнее]

По направлению  Ударовиброшумозащита установок с ДВС

• Вопросы разработки и применения тросовых виброизоляторов (автор: Минасян М.А.)  [Подробнее]
• Применение вибропоглощающих жестких покрытий типа АДЕМ (автор: Медведев В.В.)  [Подробнее]

По направлению  Долговечность дизелей и их деталей, длительно работающих на переменных режимах

• Методические основы вероятностного расчета прочности и долговечности деталей ДВС (авторы: Румб В.К., Медведев В.В.)  [Подробнее]
• Определение остаточной долговечности деталей судовых ДВС при наличии трещин (авторы:  Румб В.К., Медведев В.В.)  [Подробнее]

По направлению  Формализованный анализ безопасной эксплуатации судовых дизелей

• Формальный анализ безопасной эксплуатации судового дизеля (авторы:  Румб В.К., Медведев В.В.)  [Подробнее]
• Применение методики по формализованной оценке безопасности для определения остаточного ресурса главного судового дизеля  (авторы: Румб В.К., Медведев В.В.)  [Подробнее]

По направлению История техники

• История флота
  (Автор: Столяров С.П.) [Подробнее]
• Эволюция поршневых энергетических машин
  (Автор: Столяров С.П.) [Подробнее]
• Систематизация знаний по специальности на основе хронологических причинно-следственных взаимосвязей, в том числе со смежными областями науки, производства, и условий эксплуатации
  (Автор: Столяров С.П.) [Подробнее]

АННОТАЦИИ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Инфракрасная пирометрия теплотехнических силовых установок  (автор Шаров Г.И.)

Применение лазерного индицирования одновременно с обычными методами исследования, значительно расширяют возможности качественной и количественной оценки процесса сгорания в двигателях внутреннего сгорания. Повышенный интерес к оптическим методам исследования время вызван их значительными преимуществами перед другими методами, особенно при изучении процессов сгорания, детонации, возникновения и распространения ударных волн.
Собраны сведения об оптических материалах, приемниках излучения, блок-схемах инфракрасных систем, модуляторах инфракрасного пирометра и схемах  его управления, применяющихся при инфракрасной пирометрии боковой поверхности поршня дизельного двигателя.

Снижение токсичности дизелей за счет дополнительного впрыска в камеру сгорания воздушного заряда (автор Шаров Г.И.)

Актуальная задача снижения токсичности дизелей с целью доведения их параметров до принятых национальных и мировых стандартов зачастую связана с существенными переделками конструкции дизеля или установки с двигателем в целом. Проведенные исследования показали, что весьма ощутимый эффект можно получить за счет дополнительного впрыска в камеру сгорания воздушного заряда. Эксперименты, проведенные на стенде ОАО «Звезда» показали высокую эффективность и простоту разработанного метода.

Математическое моделирование рабочих механизмов ДВС и машин Стирлинга (автор Столяров А.С.)

Основная цель работы – сравнительный анализ потерь на трение в рабочих механизмах двигателей и холодильных машинах и выдача рекомендаций для проектирования. Особенно актуальна данная тема для двигателей и холодильно-газовых машин, работающих по циклу Стирлинга, в которых в настоящее время применяется огромное разнообразие конструктивных схем, типов механизмов, пар трения, уплотнений, работающих как со смазкой, так и в режиме сухого трения.
Разработана программа для расчета с учетом сил трения и сравнительного анализа механизмов поршневых машин любой сложности, включая ромбический, механизмы Росса, Эриксона, Уатта. Разработаны и реализованы в виде подпрограмм математические модели гидродинамических пар трения: подшипников, поршневых колец, тронка поршня,  и пар сухого трения: поршней, поршневых колец и штоковых уплотнений.
При проектировании уплотнений сухого трения важно найти оптимальное соотношение между утечкой, потерями на трение и ресурсом уплотняющего элемента. В связи с этим исследован вопрос о допустимой с точки зрения потери индикаторной работы утечке через уплотнения для машин с герметичным (нагруженным) картером или буферными полостями. Построены и программно реализованы математические модели утечки через поршневые уплотнения и изменения параметров рабочего тела в буферных объемах в течение цикла.

Расчет крутильных колебаний судовых валопроводов для предоставления в органы надзора за постройкой и эксплуатацией судов  (автор Румб В.К.)

Все классификационные общества – члены МАКО – содержат в своих правилах требования к предоставлению расчетов крутильных колебаний судовых валопроводов. Имеется практический навык выполнения необходимых расчетов (при необходимости – измерений) для предоставления в Российский морской регистр судоходства.

Расчет осевых колебаний судовых валопроводов для предоставления в органы надзора за постройкой и эксплуатацией судов  (автор  Румб В.К.)

В настоящее время пять классификационных обществ – членов МАКО – содержат в своих правилах требования к предоставлению расчетов осевых колебаний судовых валопроводов:
- Итальянский морской Регистр  (RINA-2001);
- Китайский морской Регистр (ССS-1996);
- Норвежский Веритас (DNV-2002);
- Американское классификационное общество (ABS-2000);
- Регистр судов Ллойда (LR-2000).
Имеется практический навык выполнения необходимых расчетов (при необходимости – измерений) для предоставления в Регистр судов Ллойда.

Исследование изгибных, случайных, ударных и связанных колебаний судовых валопроводов  (автор  Румб В.К.)

Существующая опасность колебаний для прочности судового валопровода диктует требование по повышению точности их расчета. Среди нескольких путей повышения точности расчета выделим учет случайных факторов. Не вызывает сомнение, что параметры расчетной модели судового валопровода имеют рассеивание. Например, в поршневом двигателе массы и размеры деталей КШМ, параметры рабочих процессов даже одного цилиндра будут отличаться друг от друга. Еще большой разброс имеют характеристики гребного винта, связанные, прежде всего, с его специфическими условиями работы при волнении моря. Таким образом, инерционные и упругие свойства судового валопровода, его нагрузки со стороны ДВС, так и гребного винта являются функциями множества факторов, многие из которых – случайные по своей физической сути. Естественно, в этих условии ях крутильные колебания валопровода также будут случайными.
Наиболее просто удается учитывать случайную природу исходных данных при статистическом моделировании, т.е. при использовании математического аппарата теории вероятностей. Основная идея моделирования заключается в том, что случайный колебательный процесс получается из совокупности последовательных испытаний расчетной модели. Параметры для каждого испытания определяются генератором случайных чисел – специально разработанной для этой цели программой. В ней стандартная функция RANDOM выдает равномерно распределенные числа в интервале 0…1, которые далее преобразуются в значения, соответствующие заданным вероятностным законам распределения исходных данных расчета колебаний.
Проведены расчеты торсиограммы валопровода теплохода типа «Невский-25» по программе, реализующей методологические основы расчета колебаний с учетом воздействия случайных факторов, что позволяет получить расчетным путем реальную картину изменения касательных напряжений при колебаниях валопроводов судовых дизельных установок.

Машины по циклу Стирлинга – вопросы маркетинга, расчета, проектирования, изготовления, экспериментального исследования   (автор  Столяров С.П.)

В работах по созданию отечественного образца маломощного Стирлинг-генератора принимал участие с 1979 г. В этих работах на стендах были испытаны двигатели простого и двойного действия, с прямым нагревом и с несколькими типами систем передачи теплоты на базе тепловой трубы или термосифона, с электроподогревом, с камерами горения на пропане, синтезгазе и на жидком топливе, с различными типами теплообменных аппаратов и регенераторов. Исследования выполнялись совместно с ЦНИДИ, ЦНИИ имюакад. А.Н.Крылова, Обнинским ФЭИ, ГИПХ, Ташкентским отделением АН СССР, заводом и КБ «Арсенал». В коллективных работах приобрел опыт проектирования теплообменных аппаратов внутреннего контура и системы передачи теплоты, стендовых отладочных работ, экспериментальных исследований и анализа полученных материалов по индикаторному процессу и по процессам в системе передачи теплоты. Одним из результатов этих работ стало создание компьютерной программы для расчета процесса в машинах Стирлинга. Программа предназначена не только для исследовательских, но и, главным образом, для проектных работ.
Имею опыт и взаимосвязи с коллегами-стирлингистами, которые могут стать базой для организации инженерных работ по созданию Стирлинг-генераторов и холодильно-газовых машин по циклу Стирлинга.
Список научных работ по этой теме включает более 50 пунктов.

Тепло-массообменные процессы в жидкометаллической тепловой трубе (автор  Столяров С.П.)

Участвовал в работах по созданию и экспериментальному исследованию первых отечественных систем передачи теплоты с жидкометаллическими теплоносителями для подвода теплоты к нагревателям двигателей Стирлинга. Работы проводились совместно с ЦНИДИ и ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, в основном, в Физико-энергетическом институте (Обнинск). В этих работах были опробованы 4 варианта систем передачи теплоты, в том числе паровая термосифонная камера, тепловые трубы модульного типа, термосифонная тепловая трасса. В них в качестве теплоносителя применялись натрий и натрий-калиевая эвтектика.
Результаты этих исследований стали основой кандидатской диссертации на тему «Методика расчета и результаты исследований системы передачи теплоты двигателя с внешним подводом теплоты».
Список научных работ по этой теме включает 21 пункт.

Адаптация методов математического моделирования для организации инженерных расчетов теплофизических процессов в тепловых двигателях; (Автор: Столяров С.П.)

Особенностью двигателей Стирлинга и теплообменных аппаратов на базе тепловых труб является необходимость применение методов математического моделирования при выполнении проектно-конструкторских работ. Учитывая большую конструктивную сложность двигателей Стирлинга, важное значение приобретает задача оптимизации расчетных алгоритмов. По этой причине выполнению работ по созданию соответствующего программного обеспечения предшествует этап исследований, направленных на поиск экономных производительных расчетных схем требуемой точности.
Большая часть работ, выполненных  в этом направлении, относится к математическим методам решения задачи Коши, методам решения разреженных систем уравнений, методам решения нелинейных уравнений.

Энергетические установки подводных технических средств с дизелем замкнутого цикла (Автор: Столяров С.П.)

Установки с дизелями, работающими по замкнутому циклу, в настоящее время являются одним из наиболее отработанных направлений в области подводных технических средств с большой подводной автономностью.
Еще в 1930-е – 1950-е годы в СССР на опытных подводных лодках были отработаны варианты таких установок, получившие названия «РЕДО» (регенеративный единый двигатель особого назначения), «ЕД-ВВД» (единый двигатель с выхлопом в воду дизельный), «ЕД-ХПИ» (единый двигатель с химпоглотителем известковым). Последняя установка была реализована на серийных подводных лодках проектов 615 и А615, всего были построено таких 30 лодок.
В ходе работ по поиску перспективных энергетических установок технических средств освоения океана на кафедре были отработаны методики расчета мощности и эффективности дизелей, работающих в условиях замкнутого цикла, с учетом затрат на выведение продуктов сгорания из замкнутого контура за борт или в бортовую систему временного хранения.

Моделирование процессов и расчет параметров двигателей внутреннего сгорания, работающих в составе воздухонезависимых энергетических установок (Автор: Столяров С.П.)

Двигатели внутреннего сгорания, работающие в составе воздухонезависимых установок, могут использовать различные топлива и окислители. В результате, рабочее тело в таких двигателях значительно отличается по составу и параметрам от традиционного.
Выполненные исследования были доведены до стадии создания расчетных алгоритмов для исследования рабочего процесса двигателей, использующих любые углеводородные топлива, воздух, кислород или перекись кислорода в качестве окислителя, аргон, гелий, азот в качестве балластного газа.
Имеется опыт выполнения расчетных исследований с целью отладки рабочего процесса двигателей для воздухонезависимых установок, в том числе, использующих в качестве топлива водород.

Воздухонезависимые энергетические установки с двигателями Стирлинга(Автор: Столяров С.П.)

В настоящее время энергетические установки малого хода с двигателями Стирлинга применяются на подводных лодках Швеции и Японии. Эти установки отличаются от своих главных конкурентов, - электро-химических генераторов, - относительной дешевизной, способностью работы на дешевых сортах топлива и компактностью.
Исследования, выполненные в этом направлении, направлены на адаптацию двигателей Стирлинга к специфическим условиям работы, а именно, обеспечение высоких удельных показателей рабочего процесса, разработку элементов внешнего нагревательного контура, решения вопроса об удалении продуктов сгорания.
Имеется опыт создания смесительного охладителя-сепаратора выпускных газов. Работы по созданию смесительного охладителя-сепаратора были доведены до стадии стендовой отработки.

История флота (Автор: Столяров С.П.)

Цель работы состоит в том, чтобы представить историю отечественного судостроения и флота в хронологически выдержанной последовательности важнейших событий, с учетом работ в области энергетических установок, радиотехнических средств, систем оружия, и других составляющих элементов современного корабля.
В Российском научно-техническом обществе судостроителей имени академика А.Н. Крылова С.П. Столяров является заместителем председателя секции Истории судостроения.
В университетской газете «За кадры верфям» С.П. Столяров ведет постоянную рубрику «Из истории Российского флота».

Эволюция поршневых энергетических машин(Автор: Столяров С.П.)

Работа ведется в инициативном порядке с целью создания учебника по истории поршневых двигателей внешнего и внутреннего сгорания. К рассматриваемым двигателям относятся: паровые машины, воздушные регенеративные двигатели Эриксона, семейство поршневых двигателей Стирлинга, двигатели внутреннего сгорания с искровым зажиганием, калоризаторные двигатели, дизели.
История появления двигателей рассматривается во взаимосвязи с достижениями в смежных отраслях, - материаловедении, технологии материалов, термодинамике, гидромеханике, аэродинамике, теплообменных аппаратах, насосах, компрессорах и других составляющих по научным и техническим аспектам.
К настоящему времени в завершающей стадии находятся работы по реконструкции возможного облика судового 4-цилиндрового двигателя Д. Эриксона с поршнями диаметром около 4,2 м, паровой машины первого русского парохода, судовой механической установки Д. Папена с водоподъемным паровым устройством и гребным колесом, являвшимся одновременно гидравлическим колесом, вырабатывающим механическую энергию.
Работы по этому направлению в значительной степени выполняются студентами кафедры. В частности, в работе, будучи студентами, принимали активное участие выпускники кафедры А.С. Столяров, Д.В. Калинин, А.Е. Васильев.
По результатам работы регулярно делаются доклады на научных семинарах и конференциях, а также публикации в научных изданиях.

Систематизация знаний по специальности на основе хронологических причинно-следственных взаимосвязей, в том числе со смежными областями науки, производства, и условий эксплуатации (Автор: Столяров С.П.)

Систематизация специальных знаний на основе причинно-следственных взаимосвязей, выстроенных в хронологической последовательности, в том числе с учетом взаимосвязей со смежными областями науки, производства, и условий эксплуатации является одним из основных методов при создании учебных курсов, в которых сочетается большое количество технических объектов. По сути, этот метод соответствует понятиям «историзм», «системный подход», «развитие от простого к сложному».
Внедрение этого метода в учебные курсы дает возможность повысить интерес студентов к подаваемому материалу, увязать курс лекций с другими учебными курсами, значительно расширяет кругозор студентов, способствует укреплению патриотизма и становлению инженерного мировоззрения.
Метод применятся уже многие годы С.П. Столяровым в курсах дисциплин «Газообмен в ДВС» (раздел дисциплины «Теория рабочих процессов ДВС»); «Энергетические машины и установки», «Двигатели и транспортные средства», «История техники».

Вопросы разработки и применения тросовых виброизоляторов (автор  Минасян М.А.)

В настоящее время разработаны методы расчета и оригинальные конструкции тросовых виброизоляторов, защищенных патентами РФ, рассчитанные на различные значения вибрационных нагрузок. Примеры разработанных конструкций приведены на фотографии.

Применение вибропоглощающих  жестких покрытий типа АДЕМ (автор  Медведев В.В.)

Результаты обследования судов морского и речного флотов показывают превышение санитарной нормы по уровням воздушного шума и вибрации во многих судовых помещениях. Эти обстоятельства делают актуальным вопрос о проведении модернизации существующих судов, а также внедрения мероприятий и средств защиты от шума уже на стадии проектирования. Это в свою очередь предполагает наличие методов расчетной оценки ожидаемых уровней физических полей.
В настоящее время известны приемы, позволяющие решить или, по крайней мере, снять остроту указанных выше проблем. Одним из них является применение жестких вибродемпфирующих покрытий (ВДП). Для случая высокого демпфирования, когда коэффициенты потерь конструкций с ВДП становятся близки 0,1, был разработан метод расчета уровней вибрации динамически связанных конструкций, который базируется на известных энергетических способах расчета. Особенностью данного метода явился отказ от предположения о диффузности поля вибрации на демпфированной пластине. Это позволило перейти к рассмотрению потоков энергии в элементарном объеме пластины и,  при соответствующих гипотезах о величине плотности потока вибрационной энергии, поступающей в этот объем м доле необратимых потерь энергии, получить дифференциальное уравнение энергетического баланса. Для этого уравнения, при  выбранных граничных условиях, были найдены частные решения. Апробирование этих решений было выполнено по результатам экспериментальных исследований, проведенных в большой акустической камере экспериментального центра ЦНИИ технологии судостроения при демпфировании жестким ВДП из мастики АДЕМ - НШ-2-2ФК секций стального стенд-макета. Получены результаты демпфирования натурной модели корпуса стального судна покрытием из мастики АДЕМ и выполнен расчет  уровней вибрации и шума с использованием программы расчета воздушного шума в помещениях судов и кораблей Нойз Эксперт М.

Определение остаточной долговечности деталей судовых ДВС при наличии трещин  (авторы  Румб В.К., Медведев В.В.)

В последние годы исследованию прочности деталей с трещинами уделяется повышенное внимание. Обобщая результаты публикаций по этой проблеме можно отметить следующее:  во-первых, около 80% всех отказов машин, аппаратов и конструкций возникает по причине накопления в них различного рода повреждений, включая трещины. Во-вторых, трещины в деталях машин являются неизбежными, на их зарождении и развитии базируется механизм усталостного разрушения. В-третьих, анализ роста трещин, начиная с самых малых размеров, позволяет составить теоретическую модель, реализация которой дает возможность оценить долговечность детали как число циклов, необходимое для прохождения трещины всего пути до разрушения детали. Несмотря на то, что такие модели представлены в общем виде, они дают возможность оценить долговечность конструкции и назначить исходя из нее периодичность технического обслуживания.
На основе анализа литературных данных выявлены основные положения механики линейно-упругого разрушения деталей с трещинами или трещинообразными дефектами. Базируясь на этой механике, разработан в укрупненном виде алгоритм методики определения остаточной долговечности деталей судовых ДВС при наличии трещин. Выполнены показательные расчеты остаточной долговечности дизеля 6ЧН 21/21 и опорного бурта блока цилиндров дизеля 8NVD48A-2U. Значение размаха переменных напряжений в окрестностях трещины в месте расположения трещины вычисляли МКЭ с использованием программного комплекса ANSYS. Сечение конечно-элементной модели шатуна в месте расположения трещины показано на рисунке.

Методические основы вероятностного расчета прочности и долговечности деталей ДВС  (авторы  Румб В.К., Медведев В.В.)

Разработаны основные положения вероятностного метода расчета прочности деталей ДВС при различных статистических законах распределения предела выносливости (прочности) и напряжений. Эти положения можно рассматривать как расчетную методику прогнозирования долговечности деталей, испытывающих действие переменных напряжений.

Формальный анализ безопасной эксплуатации судового дизеля (авторы  Румб В.К., Медведев В.В.)

Формализованная оценка безопасности  (FSA) является новым направлением работы классификационных обществ. В рамках Международной морской организации  (IMO)  рекомендовано для использования Временное руководство по методике FSA по проведению такой оценки. Общий характер этой методики делает актуальным вопрос о вариантах ее применения к конкретным образцам и объектам морской техники, в частности, к главным судовым дизелям. 
Предложения специалистов Государственного морского технического университета (ГМТУ) являются именно таким вариантом, полностью соответствующим идеологии методики  IMO.
Разработка формализованной модели судового дизеля – «дерева отказов» позволило авторам довести решение поставленной задачи до численного результата, по сути удалось получить значении е остаточного ресурса двигателя в наиболее удобной форме – в часах работы.

Применение методики по формализованной оценке безопасности для определения остаточного ресурса главного судового дизеля (авторы  Румб В.К., Медведев В.В.)  

Пользуясь основными положениями методики по формализованной оценке безопасности  (FSA), на базе разработанной формализованной модели дизеля предложен способ прогнозирования остаточного ресурса судового двигателя на основе имитационных испытаний. Наличие такой модели и ее использование в практической деятельности дает гарантии в повышении безотказной работы двигателя и, следовательно, обеспечивает безопасность судна в целом.