ПІДВИЩЕННЯ НАДІЙНОСТІ СОПЛОВОГО КІЛЬЦЯ ТУРБОНАГНІТАЧА ДВОПАЛИВНОГО СУДНОВОГО ДИЗЕЛЯ НА ОСНОВІ ТЕРМОМЕХАНІЧНОГО ТА ГАЗОДИНАМІЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ
https://doi.org/10.33815/2313-4763.2026.1.32.006-019
Ключові слова:
двопаливний дизель, турбонаддування, надійність, соплове кільце, обчислювальна гідрогазодинаміка, CFD-моделювання, SimScale, Wärtsilä W6L34DF
Анотація
Стаття присвячена підвищенню надійності соплового кільця турбонагнітача Napier NT1-10 двопаливного суднового дизеля Wärtsilä W6L34DF у складі енергетичної установки танкера-газовоза. Актуальність дослідження зумовлена широким поширенням двопаливних середньообертових дизелів типу DF на суднах для перевезення скрапленого газу, а також значною частотою відмов соплового кільця турбонагнітача, спричинених термомеханічними навантаженнями та твердочастинковою ерозією. Методологічну основу дослідження становлять тривимірне геометричне моделювання в середовищі AutoCAD та чисельне моделювання за допомогою хмарної CAE-платформи SimScale: CFD-аналіз (OpenFOAM) для оцінки газодинамічних процесів у проточній частині та метод скінченних елементів (Code Aster) для аналізу статичних і термомеханічних напружень. Результати моделювання показали, що зони максимальних напружень концентруються у місцях переходу «лопатка–корінь» та «корпус–опора». На основі виявлених закономірностей запропоновано модернізовану конструкцію: введено округлені геометричні переходи (галтелі) у критичних зонах, що дало змогу значно знизити пікові концентрації термомеханічних напружень і зменшити ризик зародження втомних тріщин без зміни газодинамічних характеристик потоку та схеми кріплення елемента. Висновки: запропонований комплексний підхід – поєднання 3D-моделювання, CFD та структурного аналізу – забезпечує надійну оцінку ресурсу і може бути застосований для вдосконалення інших елементів суднових енергетичних установок.
Посилання
1. Hristov, D. (2022). Dual-Fuel Four-Stroke Lean-Burn Engine Supercharging System: Operational Features. MTM – Marine Technology and Management. https://stumejournals. com/journals/mtm/2022/8/263.full.pdf.
2. Stoumpos, S., Theotokatos, G., Boulougouris, E., Vassalos, D., Lazakis, I., Livanos, G. (2018). Marine dual-fuel engine modelling and parametric investigation of engine settings effect on performance–emissions trade-offs. Ocean Engineering. https://strathprints.strath.ac.uk/63557/ 1/Stoumpos_etal_OE_2018_Marine_dual_fuel_engine_modelling_and_parametric_investigation_of_engine_settings_effect.pdf.
3. Wärtsilä Corporation (2019). Wärtsilä W6L34DF Dual-Fuel Engine – Product Guide / Technical Manual. Wärtsilä, Vaasa, Finland. https://www.wartsila.com/products/marine-oil-gas/engines-generating-sets/dual-fuel-engines/wartsila-34df.
4. Li, H., Zhang, X., Xu, F. (2013). Experimental Investigation on Centrifugal Compressor Blade Crack Classification Using the Squared Envelope Spectrum. Sensors. https://doi.org/10.3390/s130912548. https://www.mdpi.com/1424-8220/13/9/12548.
5. Lei, Y. G., Lin, J., He, Z. J., Kong, D. T. (2012). A method based on multisensor data fusion for fault detection of planetary gearboxes. Sensors, 12, 2005–2017. https://www.researchgate.net/publication/221967648_A_Method_Based_on_Multi-Sensor_Data_ Fusion_for_Fault_Detection_of_Planetary_Gearboxes.
6. Michalec, G., Polanowski, S., Łutowicz, M. (1999). A Marine Engine Turbocharger as a Diagnostic Object. Proceedings of the 10th Conference on Diagnostics of Operational Machines and Vehicles, Bydgoszcz–Borówno. https://repository.am.szczecin.pl/handle/123456789/395.
7. Adamkiewicz, A. (2012). An Analysis of Cause and Effect Relations in Diagnostic Relations of Marine Diesel Engine Turbochargers. Scientific Journal of the Maritime University of Szczecin, 31(103), 5–13. https://repository.am.szczecin.pl/handle/123456789/395.
8. Adamkiewicz, A., Michalec, G. (2001). Problematyka eksploatacji turbosprężarek okrętowych tłokowych silników spalinowych. Budownictwo Okrętowe i Gospodarka Morska, 4(501), 23–25.
9. Knežević, V., Orović, J., Stazić, L., Čulin, J. (2020). Fault Tree Analysis and Failure Diagnosis of Marine Diesel Engine Turbocharger System. Journal of Marine Science and Engineering 2020, 8(12), 1004. https://doi.org/10.3390/jmse8121004. https://www.mdpi.com/2077-1312/8/12/1004.
10. Anantharaman, M., Islam, R., Sardar, A., Garaniya, V., Khan, F. (2021). Impact of Defective Turbocharging System on the Safety and Reliability of Large Marine Diesel Engine. International Journal on Marine Navigation and Safety of Sea Transportation, 15, 189–194. https://www.transnav.eu/Article_Impact_of_Defective_Turbocharging_Anantharaman,57,1109.html.
11. Lus, T. (2012). Marine Diesel Engines Turbochargers Diagnostic Methods. Applied Structural Health, Usage and Condition Monitoring, 3, 49–54. https://www.academia.edu/ 64517128/Marine_diesel_engines_turbochargers_diagnostic_methods.
12. Borovkov, A., Voinov, I., Galerkin, Y., Kaminsky, R., Drozdov, A., Solovyeva, O., Soldatova, K. (2020). Design, Plant Test and CFD Calculation of a Turbocharger for a Low-Speed Engine. Applied Sciences 2020, 10, 8344. https://doi.org/10.3390/app10228344.
13. Hoffren, J., Talonpoika, T., Larjola, J., Siikonen, T. (2002). Numerical Simulation of Real-Gas Flow in a Supersonic Turbine Nozzle Ring. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 124, 395–403.
14. Choi, I., Kim, H. K., Yoo, B. W. (2005). An Analytical Study on the Turbocharger-Engine Matching of the Marine Four-Stroke Diesel Engine. Proceedings of the Korean Society of Marine Engineering Fall Conference, Busan, Korea. 15. Witek, L., Stachowicz, F. (2016). Modal Analysis of the Turbine Blade at Complex Thermomechanical Loads. Strength of Materials, 48, 474–480. https://scispace.com/pdf/modal-analysis-of-the-turbine-blade-at-complex-33djh8isku.pdf.
16. Jeon, W. S., Jeong, H. (2025). Structural Safety Assessment Based on Stress-Life Fatigue Analysis for T/C Nozzle Ring Blade. Journal of Marine Science and Engineering, 13(6), 1174. https://www.mdpi.com/2077-1312/13/6/1174. 17. Jeon, W. S., Park, I. C. (2025). Fatigue Analysis and Solid Particle Erosion Behavior of Nozzle Ring for Marine Turbocharger. Journal of Marine Science and Engineering, 13(7), 1230. https://www.researchgate.net/publication/393084119_Fatigue_Analysis_and_Solid_Particle_Erosion_Behavior_of_Nozzle_Ring_for_Marine_Turbocharger.
18. Park, I. C., Han, M. S. (2021). Solid Particle Erosion Behavior of Inconel 625 Thermal Spray Coating Layers. Journal of the Korean Society for Marine Environmental Safety, 27, 521–528. https://koreascience.kr/article/JAKO202120941785310.page.
19. Liu, C., He, S., Zhang, S., Rüdel, U. (2018). Research on the Influence of Turbine Blade Fillet Geometry by Strength and Modal Analysis. Proceedings of GPPS Montreal. https://gpps.global/wp-content/uploads/2021/02/GPPS-NA-2018-0111.pdf.
20. Ryzhkov, S. S. (2017). Separation Gradient Aerosol Technologies in Power Plants. Admiral Makarov National University of Shipbuilding: Mykolaiv, Ukraine. http://onma.edu.ua/wp-content/uploads/2016/09/Doktorskaya-Dyssertatsyya-Ryzhkov-dlya-sajta.pdf.
21. Bednarz, A.;, Misiołek, W. Z. (2020). Assessment of the Impact of Shot-Peening on the Fatigue Life of a Compressor Blade Subjected to Resonance Vibrations. Materials, 13(24), 5726. https://doi.org/10.3390/ma13245726. https://www.mdpi.com/1996-1944/13/24/5726.
22. Zheng, X.-G., et al. (2015). Healing Process of Casting Pores in a Ni-based Superalloy by Hot Isostatic Pressing. Journal of Materials Science & Technology. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030215001097.
2. Stoumpos, S., Theotokatos, G., Boulougouris, E., Vassalos, D., Lazakis, I., Livanos, G. (2018). Marine dual-fuel engine modelling and parametric investigation of engine settings effect on performance–emissions trade-offs. Ocean Engineering. https://strathprints.strath.ac.uk/63557/ 1/Stoumpos_etal_OE_2018_Marine_dual_fuel_engine_modelling_and_parametric_investigation_of_engine_settings_effect.pdf.
3. Wärtsilä Corporation (2019). Wärtsilä W6L34DF Dual-Fuel Engine – Product Guide / Technical Manual. Wärtsilä, Vaasa, Finland. https://www.wartsila.com/products/marine-oil-gas/engines-generating-sets/dual-fuel-engines/wartsila-34df.
4. Li, H., Zhang, X., Xu, F. (2013). Experimental Investigation on Centrifugal Compressor Blade Crack Classification Using the Squared Envelope Spectrum. Sensors. https://doi.org/10.3390/s130912548. https://www.mdpi.com/1424-8220/13/9/12548.
5. Lei, Y. G., Lin, J., He, Z. J., Kong, D. T. (2012). A method based on multisensor data fusion for fault detection of planetary gearboxes. Sensors, 12, 2005–2017. https://www.researchgate.net/publication/221967648_A_Method_Based_on_Multi-Sensor_Data_ Fusion_for_Fault_Detection_of_Planetary_Gearboxes.
6. Michalec, G., Polanowski, S., Łutowicz, M. (1999). A Marine Engine Turbocharger as a Diagnostic Object. Proceedings of the 10th Conference on Diagnostics of Operational Machines and Vehicles, Bydgoszcz–Borówno. https://repository.am.szczecin.pl/handle/123456789/395.
7. Adamkiewicz, A. (2012). An Analysis of Cause and Effect Relations in Diagnostic Relations of Marine Diesel Engine Turbochargers. Scientific Journal of the Maritime University of Szczecin, 31(103), 5–13. https://repository.am.szczecin.pl/handle/123456789/395.
8. Adamkiewicz, A., Michalec, G. (2001). Problematyka eksploatacji turbosprężarek okrętowych tłokowych silników spalinowych. Budownictwo Okrętowe i Gospodarka Morska, 4(501), 23–25.
9. Knežević, V., Orović, J., Stazić, L., Čulin, J. (2020). Fault Tree Analysis and Failure Diagnosis of Marine Diesel Engine Turbocharger System. Journal of Marine Science and Engineering 2020, 8(12), 1004. https://doi.org/10.3390/jmse8121004. https://www.mdpi.com/2077-1312/8/12/1004.
10. Anantharaman, M., Islam, R., Sardar, A., Garaniya, V., Khan, F. (2021). Impact of Defective Turbocharging System on the Safety and Reliability of Large Marine Diesel Engine. International Journal on Marine Navigation and Safety of Sea Transportation, 15, 189–194. https://www.transnav.eu/Article_Impact_of_Defective_Turbocharging_Anantharaman,57,1109.html.
11. Lus, T. (2012). Marine Diesel Engines Turbochargers Diagnostic Methods. Applied Structural Health, Usage and Condition Monitoring, 3, 49–54. https://www.academia.edu/ 64517128/Marine_diesel_engines_turbochargers_diagnostic_methods.
12. Borovkov, A., Voinov, I., Galerkin, Y., Kaminsky, R., Drozdov, A., Solovyeva, O., Soldatova, K. (2020). Design, Plant Test and CFD Calculation of a Turbocharger for a Low-Speed Engine. Applied Sciences 2020, 10, 8344. https://doi.org/10.3390/app10228344.
13. Hoffren, J., Talonpoika, T., Larjola, J., Siikonen, T. (2002). Numerical Simulation of Real-Gas Flow in a Supersonic Turbine Nozzle Ring. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 124, 395–403.
14. Choi, I., Kim, H. K., Yoo, B. W. (2005). An Analytical Study on the Turbocharger-Engine Matching of the Marine Four-Stroke Diesel Engine. Proceedings of the Korean Society of Marine Engineering Fall Conference, Busan, Korea. 15. Witek, L., Stachowicz, F. (2016). Modal Analysis of the Turbine Blade at Complex Thermomechanical Loads. Strength of Materials, 48, 474–480. https://scispace.com/pdf/modal-analysis-of-the-turbine-blade-at-complex-33djh8isku.pdf.
16. Jeon, W. S., Jeong, H. (2025). Structural Safety Assessment Based on Stress-Life Fatigue Analysis for T/C Nozzle Ring Blade. Journal of Marine Science and Engineering, 13(6), 1174. https://www.mdpi.com/2077-1312/13/6/1174. 17. Jeon, W. S., Park, I. C. (2025). Fatigue Analysis and Solid Particle Erosion Behavior of Nozzle Ring for Marine Turbocharger. Journal of Marine Science and Engineering, 13(7), 1230. https://www.researchgate.net/publication/393084119_Fatigue_Analysis_and_Solid_Particle_Erosion_Behavior_of_Nozzle_Ring_for_Marine_Turbocharger.
18. Park, I. C., Han, M. S. (2021). Solid Particle Erosion Behavior of Inconel 625 Thermal Spray Coating Layers. Journal of the Korean Society for Marine Environmental Safety, 27, 521–528. https://koreascience.kr/article/JAKO202120941785310.page.
19. Liu, C., He, S., Zhang, S., Rüdel, U. (2018). Research on the Influence of Turbine Blade Fillet Geometry by Strength and Modal Analysis. Proceedings of GPPS Montreal. https://gpps.global/wp-content/uploads/2021/02/GPPS-NA-2018-0111.pdf.
20. Ryzhkov, S. S. (2017). Separation Gradient Aerosol Technologies in Power Plants. Admiral Makarov National University of Shipbuilding: Mykolaiv, Ukraine. http://onma.edu.ua/wp-content/uploads/2016/09/Doktorskaya-Dyssertatsyya-Ryzhkov-dlya-sajta.pdf.
21. Bednarz, A.;, Misiołek, W. Z. (2020). Assessment of the Impact of Shot-Peening on the Fatigue Life of a Compressor Blade Subjected to Resonance Vibrations. Materials, 13(24), 5726. https://doi.org/10.3390/ma13245726. https://www.mdpi.com/1996-1944/13/24/5726.
22. Zheng, X.-G., et al. (2015). Healing Process of Casting Pores in a Ni-based Superalloy by Hot Isostatic Pressing. Journal of Materials Science & Technology. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030215001097.
Опубліковано
2026-06-28
Розділ
ІНЖЕНЕРІЯ У ТРАНСПОРТНІЙ ГАЛУЗІ
