Файл: А. Ю. Коньков тепловозные дизели устройство и основы рабочих процессов рекомендовано методическим советом по качеству образовательной деятельности двгупс в качестве учебного пособия Хабаровск Издательство двгупс.pdf

126 9.3.2. Импульсная система газотурбинного наддува При проектировании импульсных систем наддува стремятся сохранить кинетическую энергию газов (импульс давления) на выходе из цилиндров двигателя. Для этого выпускные коллекторы выполняют как можно меньшего объема, объединяя выпускные потоки лишь части цилиндров так, учитывая порядок работы цилиндров, чтобы импульсы давлений в коллекторах чередовались равномерно (рис. 9.8). Сложная конструкция импульсной системы наддува, которой характерны разветвленные трубопроводы, двух- и многозаходные улитки турбин и т.п., вызывает определенные трудности на этапе компоновки двигателя, нов большинстве случаев, оправдывается более высоким КПД импульсной системы наддува, хотя КПД самой турбины при этом оказывается ниже. Снижение КПД турбины вызвано тем, что пульсирующий поток, проходя сопловой направляющий) аппарат турбины, сохраняет свойственную ему неравномерность скорости и, как следствие этого, невозможно выполнить проточную часть турбины так, чтобы углы атаки на входе в рабочее колесо были бы постоянно оптимальными. Тем не менее, опыт создания двигателей показывает, что на номинальном установившемся режиме двигателя потери эффективности турбины, в большинстве случаев, компенсируются ростом КПД системы в целом. А на частичных режимах, а также на переходных режимах – выигрыш от применения импульсной системы оказывается еще выше. В качестве примера, подтверждающего вышесказанное, можно привести опыт доводки тепловозного дизеля Д, который первоначально был выполнен с изобарной системой наддува. На рис. 9.9 приведены результаты испытаний дизеля с раз-
Рис. 9.8. Импульсная система наддува к – объем коллектора
V
h
– рабочий объем двигателя
1...6 – цилиндры двигателя

127 личными системами наддува, показывающие улучшение показателей работы двигателя при n < 700 мин при сохранении практически неизменных параметров на номинальном и близком к нему режимах. Рис. 9.9. Зависимость параметров дизеля Дот частоты вращения коленчатого вала при изобарной (1) и импульсной) системах ГТН [10, рис. 105]: n
тк
– частота вращения ротора турбокомпрессора p
s
, t
s
, G
s
– давление, температура и расход наддувочного воздуха N
e
– эффективная мощность ц – средняя температура газов в цилиндре g
e
– удельный эффективный расход топлива

128
9.4. Охлаждение наддувочного воздуха При анализе формулы главного конструктора (см. подразд. 9.1) отмечалось, что снижение температуры воздуха повышает плотность, равно как и рост давления. Там же обсуждалось, что если за начальные параметры воздуха принять атмосферные значения, то путь повышения плотности за счет сжатия, безусловно, выигрывает у охлаждения. Однако на выходе из компрессора температура воздуха намного превышает температуру окружающей среды и поэтому эффективность наддува можно легко повысить, если охладить воздух до температуры, близкой к исходной. Пример Найти температуру воздуха после сжатия в компрессоре при параметрах, соответствующих номинальному режиму работы тепловозного дизеля АД, считая процесс сжатия адиабатным, а условия в окружающей среде – нормальными. Решение Согласно данным [1, табл. 24] давление наддува для двигателя АД составляет p
s
= 0,235 МПа. Для нормальных условий принимаем
p
0
= 0,1013 МПа и T
0
= 293 К. Уравнение адиабатного процесса где v – удельный объем k – показатель адиабаты (для воздуха k = 1,4). С учетом уравнения состояния идеального газа уравнение адиабатного процесса можно переписать в виде
1 k
k
p
T
const или для рассматриваемого случая
1 1
0 откуда неизвестная температура
1 0
0
,
k
k
s
s
p
T
T
p










1 4 1 1 4
o
0 235 293 373 К 100 C
0 Ответ при адиабатном сжатии температура воздуха на выходе из компрессора дизеля АД
s
T
= 100 С. Расчет, основанный на решении уравнения адиабатного процесса, дает заниженные результаты, так как не учитывает потери на преодоление внутреннего трения и другие потери, свойственные реальному процессу

129 сжатия в компрессорах динамического типа. Опыт показывает, что температура воздуха после компрессора в дизелях АД достигает
120...130 С. Охлаждение воздуха с такой температурой при сохранении его давления, не вызывает технических трудностей и осуществляется в охладителях наддувочного воздуха (ОНВ). Конструктивно ОНВ представляет собой теплообменник, в котором горячий наддувочный воздух отдает теплоту либо сразу в окружающую среду, либо через промежуточный теплоноситель (воду. Охлаждение по системе «воздух–воздух» (риса) обеспечивает наибольшую простоту, надежность и компактность системы. При использовании в качестве теплоносителя воды (рис. 9.10, б) в зимний период времени ОНВ на режимах холостого хода и малых нагрузок работает в режиме подогревателя, так как из-за низких температур окружающей среды температура воздуха на выходе из компрессора может быть меньше температуры воды в системе охладителя. В большинстве случаев это благоприятно сказывается на протекании внутрицилиндровых процессов. Рис. 9.10. Схемы охлаждения наддувочного воздуха
«воздух–воздух» (а воздух – вода – воздух (б) Благодаря применению ОНВ, температура воздуха, подаваемого в цилиндр, находится в пределах 60...80 Сна номинальном режиме работы. Следует иметь ввиду, что если охлаждение наддувочного воздуха на режимах больших мощностей безусловно признано положительным мероприятием, то охлаждение при малых нагрузках, а также глубокое охлаждение воздуха на номинальном режиме неоднозначно сказывается на работе двигателя. а б

130 К отрицательным сторонам процесса охлаждения относятся
– снижение термодинамической эффективности (ведь охлаждение, во- первых, означает потерю теплоты, которая могла бы быть использована в цикле, а, во-вторых, снижение максимальной температуры в цикле и, следовательно, снижение термического КПД цикла
– снижение механического КПД из-за увеличения потерь на насосные хода двигателя на величину гидравлического сопротивления движению воздуха в системе впуска
– повышенный отвод тепла к воздуху от стенок цилиндра в период газообмена ив начале сжатия, а, следовательно, снижение индикаторного КПД двигателя
– при достижении температур ниже точки росы, выпадающий конденсат еще более усугубляет проблему повышенного теплоотвода, так как последующее парообразование в цилиндре потребует дополнительных затрат энергии (теплоты. Наряду с этим, охлаждение наддувочного воздуха имеет и положительные стороны, которые не обсуждались выше. Среди них снижение выбросов оксидов азота из-за уменьшения максимальной температуры в цикле
– снижение тепловой напряженности деталей цилиндропоршневой группы. Опыт создания и эксплуатации дизелей показывает, что применение мер по глубокому охлаждению наддувочного воздуха позволяет еще больше форсировать двигатель по средней эффективной мощности без ухудшения экономических и экологических показателей. Схемы наддува тепловозных дизелей В заключение рассмотрим схемы систем воздухоснабжения дизелей тепловозов, работающих на железных дорогах России. Двухтактный дизель Д имеет комбинированную систему наддува рис. 9.11). Первая ступень сжатия происходит в центробежных компрессорах, приводимых в работу от турбины. Применяется два турбокомпрессора, работающих параллельно. Такой подход (два агрегата вместо одного) позволяет использовать турбокомпрессоры меньших габаритов. Во второй ступени воздух досжимается в приводном компрессоре также центробежного типа. Перед подачей в цилиндры наддувочный воздух охлаждается в водовоздушных ОНВ, в которых при давлении воздуха 0,221 МПа его температура снижается от 120 до 65 С [1, табл. 24].

131 Рис. 9.11. Система воздухоснабжения дизеля Д Аналогичные схемы воздухоснабжения имеют двухтактные дизели Д и Д (рис. 9.12). Рис. 9.12. Системы воздухоснабжения тепловозных дизелей Да) и Д (б) Установка ОНВ между ступенями сжатия (риса) позволяет получить дополнительный положительный эффект – снижение затратна сжатие воздуха, но, при этом, температура воздуха, идущего в цилиндры, достаточно высокая (88 С при давлении 0,219 МПа. В дизеле Дох- лаждение не применяется, при этом, параметры наддувочного воздуха на номинальном режиме составляют 110 С при давлении 0,201 МПа. Системы воздухоснабжения современных четырехтактных тепловозных дизелей выполнены по схеме газотурбинного наддува с охладителями наддувочного воздуха (рис. 9.13). Применение двухступенчатого наддува позволяет получить очень высокое давление наддува. Так, например, дизель 20ДГ (цилиндровая модификация Д тепловоза 2ТЭ136), оснащенный двухступенчатым турбоагрегатом 2ТНА, имеет давление наддува 0,35 МПа. Применение двух охладителей наддувочного воздуха, позволяет повысить КПД системы за а б

132 счет снижения затрат работы на сжатие охлажденного после первой ступени компрессора воздуха. Второй ОНВ понижает температуру до 60 С, те. до оптимального для рабочего процесса уровня. Рис. 9.13. Системы воздухоснабжения 4-тактных тепловозных дизелей, наддува одноступенчатый (дизель АД б – двухступенчатый (дизель 20 ДГ) КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Дайте анализ формулы главного конструктора с позиций возможности повышения мощности двигателя.
2. Какие величины оказывают существенное влияние на среднее эффективное давление двигателя
3. Перечислите основные способы наддува.
4. Назовите основные достоинства и недостатки, присущие механическому и газотурбинному наддуву.
5. Назовите известные вам системы газотурбинного наддува укажите для них основные достоинства и недостатки.
6. Как сказывается на работе системы наддува и дизеля в целом применение охладителей наддувочного воздуха Как они устроены
7. Проверьте себя на способность узнавать схемы наддува 2- и 4-тактных тепловозных дизелей отечественного производства.
10. РЕЖИМЫ РАБОТЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИЗЕЛЕЙ
10.1. Режимы работы Один и тот же двигатель может работать на различных режимах, развивая разную мощность и обладая при этом отличающимися по величине показателями (КПД, расход топлива, среднее давление и т.д.). Чтобы однозначно указать режим работы, необходимо назвать два параметра параметра б

133 нагрузки и параметр скорости, или иначе определить нагрузочный и скоростной режимы работы двигателя. В качестве параметра нагрузки чаще всего выступает эффективная мощность N
e
, хотя может быть указана и другая, связанная с ней величина индикаторная мощность N
i
, крутящий кр или тормозной M
тр момент навалу двигателя, среднее эффективное p
me
или индикаторное p
mi
давление. Скоростной режим обычно задается числом оборотов коленчатого вала в минуту n, мин. В особых случаях вместо n может применяться средняя скорость поршня c
m
, мс или частота вращения вала f, Гц. При работе двигателя его эффективная мощность может изменяться от нуля (N
e
= 0 на режиме холостого хода) до некоторого максимального для данного двигателя значения N
e
= N
max
. На практике оба этих крайних случая нагрузочного режима возможно наблюдать только на специальных стендах. Ведь двигатель, установленный на тепловозе, даже при нулевой позиции контроллера машиниста оказывается нагруженным рядом механизмов, напрямую связанных с коленчатым валом (компрессор системы пневматического торможения, вентилятор системы охлаждения и др) и, поэтому, мощность, развиваемая валом на холостом ходу, будет больше нуля. Максимальная мощность двигателя на тепловозе зависит не только от энергетических возможностей самого двигателя, но и от возможностей агрегатов передачи мощности. Поэтому при работе, например с тяговым генератором, тепловозный дизель развивает только ту мощность, которой его нагружает электрический генератор. Во многих случаях эта мощность меньше той, какую мог бы развить дизель при прочих равных условиях скоростной режим, условия окружающей среды и пр. Число оборотов коленчатого вала может изменяться от минимальных
n
min до максимальных n
max для данного двигателя значений (рис. 10.1). Ранее (см. подраз. 9) были рассмотрены причины, ограничивающие максимальную частоту вращения вала. Это, прежде всего, особенности организации рабочего процесса дизеля (внутреннее смесеобразование, тепловая и механическая нагрузка на детали двигателя. Кроме того, слишком большие обороты двигателя с газотурбинным наддувом могут стать причиной помпажа – нарушения устойчивого течения воздуха. Что касается минимальных оборотов коленчатого вала, то, конечно, сточки зрения эксплуатационных свойств двигателя желательно, чтобы эти обороты были как можно меньше, так как при этом можно обеспечить минимальный расход топлива на режиме холостого хода. При настройке числа оборотов холостого хода двигателя необходимо получить устойчивые обороты его вала. Здесь сдерживающим фактором оказывается работоспособность топливной аппаратуры дизеля, ее способность обеспечивать точное

134 дозирование топлива при малых цикловых подачах. Для среднеоборотных тепловозных дизелей число оборотов двигателя на холостом ходу составляет
n
хх
= n
min
= 350…400 мин [1]. Следует также понимать, что обороты холостого хода не могут быть слишком малыми, так как основная задача этого режима – поддерживать двигатель в готовности в любой момент принять большую нагрузку, а, значит, поддерживать оптимальную температуру его теплоносителей (жидкости системы охлаждения и смазки. Поэтому, при работе двигателя в условиях низких температур окружающей среды, устойчивая работа перестает быть главным критерием при выборе минимальной частоты вращения вала. max Тепловая и механическая напряженность деталей
Рабочий процесс дизеля
Условия совместной работы дизеля и турбокомпрессора Скоростной режим n, мин

1
Устойчивая работа двигателя
Условия работы топливной аппаратуры
Поддержание теплового состоянияч


Рис. 10.1. Границы скоростного режима дизеля Учитывая вышесказанное, можно графически очертить поле возможных режимов работы двигателя, например в координатах эффективная мощность – число оборотов коленчатого вала рис. 10.2). Каждая точка на рисунке характеризует некий режим работы двигателя. Если при работе двигателя его мощность и частота вращения вала остаются постоянными (примерно постоянными, то такой режим называют установившимся или стационарным. Переход с одного режима на другой при изменении внешней нагрузки происходит не моментально. Процесс изменения режима работы двигателя прирезком нагружении или сбросе нагрузки может длиться несколько секунд. В течение этого времени двигатель работает на переходном режиме. Завершая классификацию режимов работы двигателя, отметим, что, кроме отмеченного выше, в зависимости от нагрузки двигателя различают режимы холостого хода, режим максимального крутящего момента, режимы Рис. 10.2. Область возможных скоростных и нагрузочных режимов двигателя

135 максимальной, номинальной мощности и частичные или долевые) режимы. Холостой ход характеризуется отсутствием внешней нагрузки. На режиме холостого хода двигатель, как правило, работает с частотой, близкой к При этом если увеличить подачу топлива, то число оборотов коленчатого вала можно увеличить, вплоть до n
max
, но все эти режимы будут по-преж- нему режимами холостого хода. В соответствии с ГОСТ Р 52517-2005 [
11
] номинальной мощностью называют мощность, которую двигатель может развивать без ограничения времени в период между техническими обслуживаниями, указанный изготовителем, при заданных частоте вращения и окружающих условиях при соблюдении правил технического обслуживания, установленных изготовителем. Номинальная мощность может также называться длительной,или объявленной мощностью.
Максимальная мощность – это мощность, которую двигатель может развивать с установленной продолжительностью и частотой использования, зависящими от условий применения двигателя при заданных окружающих условиях, сразу после работы при длительной мощности. Эту мощность, согласно [11], можно также назвать мощностью перегрузки.
10.2. Характеристики двигателя Под характеристиками двигателя принято понимать графические (или аналитические) зависимости различных показателей и параметров работы двигателя в зависимости от показателя нагрузочного или скоростного режима. В связи с чем и характеристики двигателя принято разделять на две группы скоростные и нагрузочные характеристики. Полезно помнить, что слово характеристика происходит от характера, следовательно, характеристика должна показывать характер изменения различных параметров и показателей. В двухмерных координатных системах, характеристики представлены линиями.
10.2.1. Скоростные характеристики Скоростной характеристикой двигателя внутреннего сгорания называют зависимость различных его показателей от частоты вращения коленчатого вала при фиксированном положении управляющего органа. Управляющим органом для дизеля является рейка ТНВД. Если при испытании двигателя рейка ТНВД была установлена на упор, что обеспечивает максимальную подачу топлива, то полученная при этом зависимость будет внешней скоростной характеристикой, если рейка была зафиксирована в промежуточном положении, то скоростные характеристики называют частичными (риса. Рассматривая ранее поле возможных режимов

136 двигателя (см. рис. 10.2), можно заметить, что верхняя граница имеет характерную форму плавной кривой. Эта линия, соответствующая максимальной мощности двигателя приданных оборотах, является примером внешней скоростной характеристики, а именно зависимостью изменения мощности по внешней скоростной характеристике двигателя. Помимо изменения мощности, интерес может представлять характер изменения других величин крутящего момента кр, часового ч и удельного эффективного расхода топлива, эффективного КПД