Давление наддува судовых двигателей

Газотурбинный наддув

Системы газотурбинного наддува делят на группы низкого, среднего и высокого наддува.
Если обозначить давление наддува через Рв, а давление окружающей среды Ра, то в группе низкого наддува степень повышения давления Рв/Ра = 1,3-1,9.

Применение низкого наддува не приводит к конструктивным изменениям дизеля и не влияет существенно на его пусковые качества.

Экономичность дизелей, оборудованных системами низкого наддува, по сравнению с базовыми дизелями без наддува увеличивается в среднем на 7-10%; удельная масса уменьшается в отношении, примерно пропорциональном увеличению их мощности. Системы с низким наддувом получили широкое распространение применительно как к главным двигателям, так и к дизель — генераторам благодаря простоте и достаточной эффективности.

Группа систем среднего наддува (Рв/Ра = 1,9-4-2,5) представляет собой дальнейшее развитие систем низкого наддува; мощность дизеля в этом случае по сравнению с базовой моделью повышается более чем на 50%. Экономичная работа дизеля достигается при этом лишь при повышенных значениях Рmах, что вызывает необходимость увеличения прочности деталей кривошипно-шатунного механизма.
Группу систем высокого наддува (Рв/Ра = 2,5-4-3,5) применяют в высокооборотных дизелях. В этом случае объектом специального проектирования является не только кривошипно-шатунного механизма , но и система охлаждения дизеля, в котором Рmах может доходить до 15 МПа.
Каждую из указанных групп наддува применяют в соответствии с типом и назначением дизелей. Так, например, малооборотные дизеля с большим ресурсом часто оборудуют системами низкого наддува (Рв/Ра = 1,35-1,5), высокооборотные дизеля с ограниченными показателями по массе и габаритам: системами среднего и высокого наддува (Рв/Ра = 2-3).

Газовая турбина , как и компрессор, может быть осевой или радиальной конструкции. В осевой турбине выпускные газы движутся в осевом направлении вдоль оси ротора, а в центробежной — радиально.
Ввиду отсутствия резких поворотов потока газа осевая турбина имеет более высокий к.п.д., но режим работы осевой турбины должен точно соответствовать расчетному — иначе наблюдается неустойчивая работа потока газа или срыв струи воздуха (помпаж). При наличии помпажа работа турбины недопустима.

Компрессоры центробежного типа , отличающиеся простотой и компактностью конструкции и небольшой массой, обеспечивающей двигатель наддувочным воздухом достаточного давления. Наддувочный воздух сжимается под действием центробежных сил.
Осевые компрессоры для наддува используют редко: для получения высокого давления необходимо применять многоступенчатые осевые компрессоры, что затрудняет их размещение на валу совместно с газовой турбиной. При небольших перепадах давлений могут быть использованы одноступенчатые осевые турбины.

Охлаждение наддувочного воздуха производится с целью обеспечения нормальных условий эксплуатации турбокомпрессора и увеличения массового заряда воздуха в цилиндрах. Воздух охлаждается в холодильниках различных конструкций: круглотрубчатых, плоскотрубчатых с гофрированными общими пластинами, с поверхностью, выполненной из профильных листов.
Охлаждение наддувочного воздуха на каждые 10 градусов увеличивает массу поступающего в рабочий цилиндр воздуха на 2 — 2,5% и приводит к снижению средней температуры рабочего цикла и теплонапряженности деталей дизеля при повышенном давлении наддува.

Наддув

Наддув — принудительное повышение давления воздуха выше текущего уровня атмосферного в системе впуска двигателя внутреннего сгорания, приводящее к увеличению плотности и массы воздуха в камере сгорания перед тактом рабочего хода, что, согласно правилу стехиометрической горючей смеси для конкретного типа мотора, позволяет сжечь больше топлива, а значит увеличить крутящий момент (и мощность, соответственно) при сравнимой частоте вращения. В широком смысле, повышение удельной/литровой мощности ДВС при текущем уровне атмосферного давления и есть основная цель наддува. Буквальным следствием этой технической особенности стало одно из ранних применений наддува для компенсации высотного падения мощности в авиационных маршевых ДВС.

Также, наддув есть любого рода создание повышенного давления в принципе. Существуют понятия наддува кабин высотных и космических летательных аппаратов для создания подходящих для людей условий, наддува баков гидросистем для предотвращения вспенивания рабочей жидкости и т. д.

Возможен агрегатный наддув и безагрегатный наддув.

Содержание

  • 1 Агрегатный наддув
  • 2 Безагрегатный наддув
  • 3 См. также
  • 4 Ссылки

Агрегатный наддув [ править | править код ]

Под агрегатным подразумевается наддув, создание которого обеспечивается неким агрегатом. Фактически, таковых агрегатов в технике всего три — турбонагнетатель, приводной нагнетатель, нагнетатель с электрическим приводом. Первый работает от энергии выхлопных газов и состоит из газовой турбины и компрессора. Второй работает от непосредственного привода с коленвала двигателя и состоит из механической передачи и компрессора. Третий работает от электропривода и состоит из высокооборотного электромотора и компрессора. Вообще, компрессор входит в состав любого агрегата наддува, вследствие чего, такие термины как турбокомпрессор, приводной компрессор и компрессор с электрическим приводом являются синонимами вышеупомянутым трём и правомерны к использованию. Конструкция компрессора может быть универсальна для любого агрегата, хотя обычно в турбонагнетателе и нагнетателе с электрическим приводом используются лопастные центробежные компрессоры, а в приводном нагнетателе — роторные компрессоры. Сам термин «агрегатный наддув» практически никогда не используется, и таковым в речевом обиходе применительно к
ДВС считается просто любой наддув, если иное не оговорено особо.

Особенность и преимущества агрегатного наддува (турбонаддува, в первую очередь) в том, что таковой позволяет получать сверхвысокие давления на впуске в ДВС — вплоть до 5 Бар — что даёт в итоге примерно кратное давлению наддува повышение удельной мощности на отдельных режимах работы. Всережимного увеличения мощности посредством одного типа агрегата наддува достичь сложно в силу разных причин (либо для этого требуется сильное механическое усложнение конструкции нагнетателя) поэтому часто на ДВС применяются комбинированные системы, состоящие, например, из турбонагнетателя и приводного нагнетателя, или турбонагнетателя и нагнетателя с электрическим приводом.

Также в авиации для компенсации высотного падения мощности маршевых поршневых двигателей на многомоторных самолётах были исторические попытки применения группового агрегатного наддува, обеспечивающего дополнительное снабжение маршевых двигателей воздухом на больших высотах. Основой этой системы был отдельный мотор-компрессор, состоявший из одного двигателя, аналогичного маршевому, и объёмного компрессора, дополненный системой воздуховодов к каждому маршевому двигателю. Пример — тяжёлый бомбардировщик Пе-8.

Агрегатный наддув применяется как на четырёхтактных ДВС, так и на двухтактных ДВС, поршневых и роторно-поршневых, работающих практически по любому термодинамическому циклу (циклу Отто, циклу Дизеля, прочих). Однако к газотурбинным двигателям термин «агрегатного наддува» в русскоязычном инженерно-техническом лексиконе обычно не применяется, несмотря на обязательное наличие компрессора в составе таких двигателей. Важным следствием применения агрегатного наддува является снижение удельного расхода топлива (в граммах на л. с. за час).

Безагрегатный наддув [ править | править код ]

К безагрегатному наддуву относят:

  • динамический (ранее называемый инерционным, резонансным, акустическим), при котором эффект достигается за счёт колебательных явлений во впускном и/или выпускном трубопроводах;
  • скоростной, применяемый на поршневых авиационных двигателях на высотах больше расчётной и при скоростях более 500 км/ч;
  • рефрижерационный, достигаемый испарением в поступающем воздухе топлива или какой-либо другой горючей жидкости с низкой температурой кипения и большой теплотой парообразования.

На транспортных двигателях внутреннего сгорания используется динамический наддув, который при несущественных изменениях в конструкции трубопроводов приводит к повышению коэффициента наполнения до η v = 0 , 92 − 0 , 96 =0,92-0,96> в широком диапазоне изменения частоты вращения двигателя. Увеличение η v > при наддуве позволяет форсировать дизель по энергетическим показателям в случае одновременного увеличения цикловой подачи топлива или улучшить экономические показатели при сохранении мощностных (при той же цикловой подаче топлива). Динамический наддув повышает долговечность деталей цилиндро-поршневой группы благодаря более низким тепловым режимам при работе на бедных смесях.

Читать еще:  Влияние на работу двигателя излишнего и недостаточного охлаждения

Давление наддува судовых двигателей

В судовых установках получили применение механический, газотурбин­ный и комбинированный наддувы. Наибольшее распространение получил газотурбинный наддув, как наиболее эффективный способ повышения мощ­ности двигателя. Механический наддув четырехтактных дизелей, т. е. когда наддувочный насос Н приводится в действие самим двигателем (рис. 118), применяется при давлении наддувочного воздуха р к не свыше 1,6—1,7 кГ/см 2 . При более высоких давлениях р к мощность, затрачиваемая на приведение в действие наддувочного насоса, значительно возрастает, вследствие чего повышается удельный эффективный расход топлива. На рисунке показано, что воздух по выходе из насоса поступает в холодильник X и только после охлаждения поступает в двигатель.

При газотурбинном наддуве газовая турбина Т (рис. 119), работающая на выпускных газах двигателя, и центробежный нагнетатель (наддувочный насос) Н устанавливаются на одном валу и представляют один агрегат, называемый газотурбонагнетатель (ГТН); он кинематически не связан с двигателем. Выпускные газы двигателя поступают в турбину и приводят ее во вращение, а вместе с ней и вал нагнетателя. Воздух засасывается из: окружающей атмосферы и сжимается в нагнетателе до давления р к и нагне­тается через холодильник X в воздушный коллектор двигателя. В целях лучшей очистки (продувки) камеры сгорания от продуктов сгорания, а так­же охлаждения днища поршня, стенок цилиндра и клапанов угол перекры­тия клапанов при наддуве значительно увеличивают. Наивыгоднейшее значение угла перекрытия клапанов колеблется ? пер = 90 ? 120° поворота коленчатого вала и в каждом случае определяется опытным путем.

Увеличивается угол перекрытия клапанов при наддуве в основном за счет увеличения опережения открытия впускного клапана и некоторого увели­чения запаздывания закрытия выпуск­ного клапана, что вполне возможно при возросшем давлении поступающего воз­духа до давления р к . Во избежание воз­можного нарушения продувки камеры сгорания и в целях использования энер­гии выпускных импульсов выпускной трубопровод при газотурбинном надду­ве дизеля распределяется на отдельные ветви.

В выпускном тракте дизеля, вследствие пульсирующего характера вы­пуска, возникают волны давления газов (импульсы), как это показано на рис. 120. Продувку камеры сгорания, очевидно, надо производить в период малых давлений в выпускном коллекторе двигателя. Увеличения продол­жительности периода малых давлений в выпускном тракте возможно до­стичь соответствующей группировкой цилиндров по различным ветвям выпускного трубопровода. Так, например, у шестицилиндрового четырех­тактного дизеля с порядком вспышек 1—3—5—6—4—2, направляя выпуск из 1, 4 и 5-го цилиндров в одну из ветвей, а из цилиндров 2, 3 и 6-го в другую, можно увеличить период между волнами до 240° поворота коленчатого ва­ла, что вполне позволит осуществить продувку камеры сгорания.

Схема группировки цилиндров по выпуску указанного двигателя при­ведена на рис. 121, а на рис. 122 приведены схемы группировки цилиндров при газотурбинном наддуве четырехтактных двигателей с различным числом цилиндров.

Выпускной трубопровод должен быть теплоизолирован во избежание охлаждения выпускных газов и нагрева воздуха в машинном отде­лении судна.

Полная располагаемая энергия выпускных газов двигателя склады­вается из энергии —Е 1 расширения газов от давления в цилиндре р в до дав­ления газов перед турби­ной р т (площадь bеа, рис. 123) и энергии рас­ширения газов в турби­не Е 2 от давления р т до давления р ? (площадь e?f?ige?). Применяются два способа использования энергии выпускных газов двигателя: 1) ра­бота турбины на газах постоянного давления (р т = const); 2) работа турбины на газах пере­менного давления (р т = var). При работе тур­бины по первому спосо­бу (p т = const) выпуск­ные газы из всех цилиндров дви г ателя поступают в один общий выпуск­ной коллектор, а оттуда идут в газовую турбину, которая обычно уста­навливается в конце выпускного коллектора. Вследствие значительной длины и объема выпускного тракта при этом, а отсюда и вследствие зна­чительного сопротивления потоку выпускных газов, большая часть кинетической энергии их Е 1 теряется. Превращение кинетической энергии га­зов, вызванное указанными причинами, в тепловую сопровождается повы­шением температуры газов перед турбиной, и потому объем их увеличивает­ся, как это показано на диаграмме, на величину ?V (от точки е до точки е?).

При работе турбины на газах переменного давления (р т = vаr) выпуск­ная система разбивается на несколько ветвей по возможности малой длины и объема. Газы по этим ветвям подводятся к одной или нескольким турбинам, расположенным в непосредственной близости к цилиндрам, на газах кото­рых они работают. При такой системе выпуска удается использовать не толь­ко энергию газов постоянного давления Е 2 , но и значительную часть кинетиче­ской энергии Е 1 . Деление выпускной си­стемы на отдельные ветви, как это было указано ранее, кроме того, позволяет осуществлять продувку камер сгорания цилиндров. Турбины, работающие на газах переменного давления называют­ся «импульсными», так как они исполь­зуют волны давления (импульсы), воз­никающие в выпускном тракте. Для количественной оценки срабатывае­мой энергии в турбине переменного давления применяют коэффициент

Зависимость K Е от давления р к при использовании 50% энергии Е 1 и при температуре газов перед турбиной t т = 350° С показана на рис. 124.

Приведенная зависимость показывает, что использование волн давлений имеет существенное значение только при малых давлениях наддува (до р к ?= 1,5 ата).

Таким образом, можно сделать вывод, что при высоких степенях над­дува в целях упрощения системы выпуска целесообразнее применять способ работы турбины при р т = const. При малых степенях наддува и при наличии возможности группировать выпуск по цилиндрам для каждой турбины целесообразнее применять способ работы с использованием энергии волн давления.

Для обеспечения более равномерного потока газов при интервале вы­пусков в один трубопровод меньше 240° поворота коленчатого вала четырех­тактных дизелей применяется преобразователь импульсов. Схема устрой­ства преобразователя импульсов показана на рис. 125. Выпускные газы от цилиндров 1 и 2, с углом между мотылями меньше, чем угол открытия вы­пускного клапана, по трубопроводу 3 сечением F r подводятся в эжектирующие сопла 4 сечением F D . В начальный период выпуска импульс газов в соплах преобразуется в кинетическую энергию потока, который будет по­ступать в смесительную трубу 5. В эту же трубу будут поступать газы из другого цилиндра к концу выпуска, т. е. с меньшей скоростью. В смеситель­ной трубе, сечение которой F м , происходит выравнивание скоростей потоков. По выходе из смесительной трубы газы поступают в диффузор 6, где кине­тическая энергия потока газов преобразуется в потенциальную энергию давления. При этом величина давления газов будет тем более постоянной, чем большее число цилиндров подключено к преобразователю импульсов. Из диффузора газы поступают в небольшой ресивер 7, а оттуда в турбину 8. Таким образом, газотурбинный наддув в этом случае осуществляется с по­стоянным давлением газов перед турбиной и с использованием энергии ‘им­пульса выпускных газов из цилиндра дизеля.

В качестве примера на рис. 126 показаны возможные схемы преобразо­вателей импульса восьмицилиндрового четырехтактного судового дизеля фирмы «Броун — Бовери» марки 8ВАF22. Мощность дизеля 600 л. с.; число оборотов в минуту 600, среднее эффективное давление 9,25 кГ/см 2 и порядок работы цилиндров 1—4—7—6—8—5—2—3—1. Схема 1 — импульсный над­дув; схема 2 — наддув с импульсным преобразователем, со смесительной трубой и ресивером; схема 3 — наддув с преобразователем импульсов без смесительной трубы и схема 4 — наддув с сокращенной длиной преобра­зователя импульсов.

Осциллограммы давлений 1—2—3—4, снятые соответственно в четырех точках преобразователя импульсов (точки 4, 3, 2 и 1), приведены на рис. 127. Место расположения точек снятия осциллограмм выпуска газов 1—2—7—8 цилиндров на один преобразователь импульсов показано слева вверху.

Читать еще:  Характеристики дизельного двигателя туарег

Осциллограммы показывают, что импульс выпускных газов из цилиндра 7 (кривая 3) совпадает с продувкой камеры сгорания цилиндра 1 (кривая 4). В результате действия импульса происходит подсасывание газов из цилинд­ра 1 (кривая 2) и, следовательно, не будет нарушаться продувка камеры сгорания цилиндра 1. Аналогично этому происходит и при образовании импульса выпуска газов из цилиндра 1 (кривая 4). Среднее давление наддувочного воздуха обозначено р L . Опытным путем было установлено, что опти­мальные значения площади смесительной трубы и эжектирующего сопла рав­ны F м = 0,5·?·F R и F D = 0,46·F R .

Для повышения показателей работы двигателя с наддувом весьма целесообразным является охлаждение наддувочного воздуха.

При охлаждении наддувочного воздуха происходит:

1) понижение температуры в начале сжатия, а следовательно, и во всех остальных основных точках цикла (t c , t z , t b ) и средней температуры цикла;

2) уменьшение теплонапряженности стенок цилиндра;

3) уменьшение температуры донышка поршня и стенок цилиндра;

4) повышение весового заряда воздуха, а следовательно, и эффектив­ной мощности двигателя (примерно на 2,5% на каждые 10° снижения тем­пературы);

5) повышение среднего эффективного давления р е примерно прямо пропорционально повышению давления наддувочного воздуха р к .

Воздухоохладители обычно «встраиваются» в нагнетательный трубо­провод наддувочного воздуха. Скорость воздуха в воздухоохладителях колеблется от 20 до 100 м/сек, а потери давления при этом составляют 0,015— 0,05 кГ/см 2 в каждой секции охладителя. При малых степенях наддува ограничиваются одноступенчатым охлаждением воздуха (снижением тем­пературы на 20—60°), а при высоких степенях наддува применяют двухсту­пенчатое охлаждение.

На рис. 128 показано изменение удельного эффективного расхода топ­лива g e , температуры выпускных газов и максимального давления цикла р z в зависимости от температуры наддувочного воздуха 90° (без охлаждения воздуха), 60 и 30°. Испытания проводились на одноцилиндровом опытном двигателе при п = 1 250 об/мин; р к = 1,66 кГ/см 2 и при работе на тяжелом дизельном топливе с удельным весом 0,9145 при 15° С. Точка а соответ­ствует работе двигателя на пределе дымления. Приведенные результаты испытаний показывают, что с понижением температуры наддувочного воз­духа удельный эффективный расход топлива уменьшается, при неизменном среднем эффективном давлении, за счет повышения коэффициента избытка воздуха ?, т. е. за счет сокращения периода процесса сгорания и (как это видно из рис. 128) снижения температуры отработавших газов. Данные рас­сматриваемых результатов испытаний также показывают, что при снижении температуры наддувочного воздуха за счет повышения Бесового заряда воз­духа, сохраняя ? неизменным, можно значительно повысить среднее эф­фективное давление, т. е. эффективную мощность двигателя.

Примером двигателя с высоким газотурбинным наддувом является че­тырехтактный дизель фирмы МАН марки К6 V30/45 мощностью 1 700 э. л. с. при 400 об/мин. Указанный двигатель при р к = 2,95 кГ/см 2 и t к = 46° С имеет среднее эффективное давление, равное 20 кГ/см 2 , и удельный инди­каторный и эффективный расходы топлива q i = 129, 5 г/и. л. с. ч. и q e = 141 г/э. л. с. ч; соответственно ? i = 0,49; ? е = 0,45 и ? г = 0,92.

Высокая экономичность двигателя К6 V30/45 объясняется следующим: наиболее благоприятными условиями для протекания процесса сгорания топлива (высокое давление и температура в конце сжатия и высокое зна­чение коэффициента избытка воздуха), уменьшением относительного зна­чения механических потерь, уменьшением относительных потерь в охлаж­дающую воду и высоким к. п. д. газотурбонагнетателя.

На рис. 129 приведена винтовая характеристика (N е = сn 3 ) двигателя завода «Шкода» марки 6S275L (6ЧРН 27.5/36). Двигатель — четырехтактный дизель с газотурбинным наддувом, с давлением наддувочного воздуха р к = 1,3 кГ/см 2 . На этом же рисунке показано изменение удельного и часо­вого эффективного расхода топлива g e и G r и температуры выпускных газов двигателя.

На рис. 130 приведены результаты испытаний грузового теплохода «Ярославль» после повышения мощности его главных двигателей завода «Шкода» марки 6S275L путем газотурбинного наддува. Двигатели при п = 480 об/мин развивают каждый N е = 525 л. с. (на рис. 130 показана суммарная мощность двух двигателей ?N e так как рассматриваемое судно имеет двухвальную силовую установку). Без наддува двигатель марки 6S275L имеет номинальную мощность N е = 400 л. с. при п = 550 об/мин. Теплоход «Ярославль», как это видно из рис. 130, при суммарной мощности двигателей 1 050 л. с. и с осадкой в грузу 2,76 м развивал скорость ? = 18,4 км/ч, тогда как однотипные теплоходы с этими же двигателями без наддува при номинальном режиме их работы имеют скорость 16,8 км/ч. На рис. 130 показано изменение: скорости судна ?, суммарной мощности двигателей при наддуве ?N e , суммарного часового расхода топлива ?G T и температуры отработавших газов t г , в зависимости от числа оборотов двига­теля п об/мин.

По данным испытаний теплохода «Ярославль» произведем расчет цикла двигателя 6S275L с наддувом (6ЧРН 27.5/36) и основных показателей его ра­боты.

Таким образом, произведенный расчет параметров цикла позволил опре­делить среднее индикаторное давление, среднее эффективное давление, меха­нический, эффективный и индикаторный к. п . д. двигателя 6S275L с газо­турбинным наддувом при степени наддува ? н = 1,36.

Классификация и общая характеристика способов наддува

Если представить случай, что мощность на привод механического нагнетателя NB частично покрывается за счет газовой турбины (в двигателях с комбинированной системой наддува), то механический КПД выразиться зависимостью:

  • где Nгт — мощность газовой турбины.

При одинаковом уровне форсировки двигателей (одинаковой индикаторной мощности) механические потери при комбинированной системе наддува будут меньше, чем при чисто механическом наддуве Характеристики систем механического наддува , на величину Nгт. Очевидно, что в комбинированной системе ηмех будет выше.

Представим крайний случай — газотурбонагнетатель полностью заменил механическую воздуходувку (т.е. обеспечен чистый газотурбинный наддув). Механический КПД еще более возрастет (так как Nв-Nгт = 0) И определится зависимостью:

Таким образом, при примерно одинаковых степенях наддува можно записать:

ηмех ГТ > ηмех мн+ГТ > ηмех мн

Такие соотношения КПД имеют место у реально выполненных конструкций как 4 – тактных, так и 2 – тактных двигателей. Максимальные значения ηмех при газотурбинном наддуве достигают ηмех гт ≈ 0,95 (по сравнению с 0,70÷0,85 у двигателей без наддува).

Можно сказать, что использование энергии газов в газовой турбине представляет собой утилизацию тепла газов, отработавших в цилиндре дизеля. Для того чтобы использовать эту энергию непосредственно в цилиндре, потребовалось бы значительно увеличить ход поршня. Прирост индикаторной работы был бы сведен на нет дополнительными механическими потерями. Вот почему утилизация тепла с целью получения дополнительной работы задерживалась практически до тех пор, пока не появилась газовая турбина, способная с достаточной эффективностью использовать рабочее тело с большим удельным объемом при малых перепадах давления.

Утилизация тепла отработавших газов в газотурбонагнетателях была возможна в свое время только в 4 – тактных ДВС, у которых температура газа достигала 400÷450°С (по сравнению с 260÷290°С у 2 – тактных ДВС). При этом без какой-либо перестройки системы газообмена удавалось получить степень наддува λн = 1,2÷1,3 при Рк = 1,25÷1,30 ата. В настоящее время такие степени наддува – пройденный этап. В современных двигателях достигнуто λн — 2,5÷4,0 (2 – тактные дизели) и λн = 3,0÷5,0 (4 – тактные дизели). В опытных конструкциях достигнуты еще более высокие показатели.

Форсировка двигателей наддувом происходит уже не за счет утилизации тепла отработавших газов, а за счет перераспределения энергии между цилиндром и газовой турбиной путем более раннего открытия выпускных органов. Такой путь ведет к снижению экономичности индикаторного процесса собственно дизеля, у которого при более раннем открытии выпускных органов уменьшается индикаторная работа. Снижение термического и индикаторного КПД цикла учитывается соответствующим уменьшением степени последующего расширения газов в цилиндре δ = Vв / Vz при сдвиге точки b на индикаторной диаграмме влево.

Читать еще:  Характеристика двигателя m20 бмв

В то же время, дальнейшая форсировка двигателей наддувом приводит к увеличению цикловых подачи топлива и вынесению сгорания на линию расширения. Это также уменьшает δ за счет роста степени предварительного расширения ρ; при этом индикаторный КПД снижается.

Судовой турбонагнетатель

Величина максимального давления в цилиндре Pz при условии ε – const растет менее интенсивно, чем давление наддувочного воздуха Рк и среднее индикаторное давление Определение среднего индикаторного давления Pi. Тем не менее, у современных ДВС максимальное давление в цилиндре достигло величины Pz = 120÷140 кг /см 2 . Желание снизить или оставить на прежнем уровне Pz и повысить надежность подшипников коленчатого вала требует снижения степени сжатия ε. Такое решение широко используется в практике дизелестроения. Однако оно ведет к дальнейшему уменьшению термического и индикаторного КПД.

Несмотря на снижение индикаторного КПД собственно дизеля, эффективный КПД и удельный эффективный расход топлива у высокофорсированных двигателей с газотурбинным наддувом сохраняются на прежнем уровне или даже изменяются в лучшую сторону за счет:

  1. Увеличения механического КПД;
  2. Уменьшения доли тепла, передаваемого в охлаждающую воду;
  3. Более рационального использования тепла в газотурбонагнетателе (повышением КПД турбины и компрессора), что позволяет уменьшить долю потерянного хода поршня для обеспечения баланса энергии газотурбонагнетателя.

Рекомендуем к прочтению:

Маневровые локомотивы

Наддув дизелей

На современных мощных четырехтактных и двухтактных дизелях применяется наддув для повышения их мощности и тепловой экономичности. Сущность наддува состоит в том, что воздух в цилиндры дизеля не засасывается из атмосферы, а нагнетается турбокомпрессором или нагнетателем, приводимым от вала двигателя.

Благодаря наддуву в цилиндры подается на каждый рабочий цикл больше воздуха, чем при всасывании, что одновременно позволяет также подавать в цилиндры и сжигать большее количество топлива, а следовательно, получать при тех же размерах цилиндров и той же частоте вращения вала дизеля большую мощность. Установлено, что мощность дизеля возрастает примерно пропорционально давлению наддувочного воздуха. Таким образом, наддув позволяет почти при тех же размерах и массе двигателя увеличить его мощность в 2-3 раза.

При сжатии в нагнетателе воздух нагревается, его удельный объем возрастает, что в значительной степени уменьшает воздушный заряд в цилиндре. Поэтому в дизелях со средним и высоким наддувом обязательно применяют охлаждение наддувочного воздуха перед поступлением его в цилиндры. Охлаждение воздуха на каждые 10 °С дает увеличение мощности дизеля на 3-4 % и снижение удельного расхода топлива примерно на 1,5-2 г/(кВт-ч).

Экономичность дизелей с наддувом повышается вследствие увеличения механического коэффициента полезного действия и дополнительного использования тепла отработавших газов.

Давления сжатия и сгорания в цилиндре также возрастают. Температура же горения и тепловая напряженность дизеля остаются почти неизменными.

Существуют три способа наддува дизелей: нагнетателем, имеющим привод от вала дизеля (механический наддув), газотурбинный и комбинированный.

Механический наддув. Нагнетатель 5 (рис. 13) приводится во вращение через редуктор 6″ от коленчатого вала. Воздух засасывается нагнетателем из атмосферы и через впускной

Рис. 13. Схема наддува дизеля с механическим приводом воздушного нагнетателя:

1 — цилиндр дизеля; 2 — поршень; 3 — клапан выпускной; 4 — клапан впускной; 5 — нагнетатель центробежный, 6 — редуктор клапан 4 нагнетается в цилиндр. Недостаток такого способа наддува состоит в том, что количество подаваемого в цилиндр воздуха зависит от частоты вращения вала дизеля, а не от нагрузки, т. е. подача воздуха в цилиндр при данной частоте вращения вала будет одинакова на холостом ходу и при полной нагрузке. Так осуществляется воздухоснабжение в дизеле 2Д100. Для правильной же организации рабочего процесса дизеля необходимо, чтобы под нагрузкой подавалось воздуха больше, чем на холостом ходу. Это особенно важно для тепловозных двигателей. Кроме того, на привод нагнетателя при этом способе наддува расходуется часть полезной мощности дизеля, поэтому экономичность двигателя повышается мало.

Газотурбинный наддув. В четырехтактном дизеле с газотурбинным наддувом (рис. 14) отработавшие газы, пройдя выпускной клапан 4, поступают на газовое колесо турбины 1 и, совершив работу, выбрасываются в атмосферу. На одном валу с турбиной находится крыльчатка центробежного нагнетателя 2, который забирает воздух из атмосферы, сжимает его до давления рк и через впускной клапан 3 нагнетает в цилиндр.

При газотурбинном наддуве количество воздуха, подаваемого в цилиндры, будет тем больше, чем больше внешняя нагрузка на дизель, так как в этом случае через турбину пройдет большее количество отработавших га-

Рис. 14. Схема дизеля с газотурбинным наддувом

1 — турбина газовая; 2 — нагнетатель центробежный 3 — клапан впускной; 5 — цилиндр; 6 — поршень зов, имеющих более высокую температуру; частота вращения ее увеличится, а следовательно, возрастет и подача нагнетателя. Это свойство дизеля с газотурбинным наддувом для тепловозов особенно ценно, так как этим достигается «саморегулирование» дизеля. Кроме того, при газотурбинном наддуве благодаря дополнительному использованию тепла отработавших газов повышается коэффициент полезного действия двигателя. Газотурбинный наддув применен в четырехтактных тепловозных дизелях типов Д70, Д49, ПД1М, М756, КбБЗЮТЖ Комбинированный наддув. Комбинированный (двухступенчатый) наддув (рис. 15) применяется в двухтактных дизелях в том случае, когда воздух необходимо сжать до сравнительно высокого давления (0,2-т-0,3) МПа. Одного нагнетателя 5, приводимого от газовой турбины, оказывается недостаточно для обеспечения дизеля воздухом требуемых параметров, особенно на пониженных нагрузках, так как температура выпускных газов перед турбиной у двухтактного дизеля ниже, чем у четырехтактного, вследствие интенсивной продувки цилиндров воздухом. Поэтому в двухтактных дизелях применяют вторую ступень сжатия воздуха в нагнетателе 7, который имеет механический привод (через редуктор 8) от вала двигателя. При сжатии в первой ступени (турбонагнетателе) воздух нагревается до высокой температуры (100- 150°С), что уменьшает воздушный заряд цилиндра и, следовательно, мощность и экономичность дизеля. Чтобы избежать этого, после нагнетателя 5 воздух направляется в охладитель 6, где он охлаждается до 50-60 °С.

Работа дизеля с двухступенчатым наддувом протекает следующим образом. При работе под нагрузкой газовая турбина 4 вращает колесо нагнетателя 5 с большой частотой (15 000- 20 000 об/мин), вследствие чего нагнетатель засасывает воздух из атмосферы и под давлением (0,2-^0,25) МПа подает его в охладитель, и далее в приводной нагнетатель. В этом нагнетателе воздух дополнительно сжимается еще на (0,034-0,05) МПа и через наддувочный коллектор и впускные окна подается в цилиндр дизеля. Во время пуска дизеля, когда газовая турбина не работает, приводной нагнетатель 7 засасывает воздух из атмосферы через нагнетатель 5 и охладитель 6 и подает его в дизель.

Комбинированный двухступенчатый наддув применен в двухтактных тепловозных дизелях 10Д100, 11Д45. 14Д40.

Рис. 15. Схема дизеля с комбинированным (двухступенчатым) наддувом:

1 — поршень; 2 — цилиндр дизеля; 3 — клапаны выпускные; 4 — газовая турбина; 5 — нагнетатель первой ступени; 6 — воздухоотделитель; 7 — нагнетатель второй ступени; 8 — редуктор привода нагнетателя второй ступени; 9 — кривошип; 10 — наддувочный коллектор

В четырехтактных дизелях нагнетатель, приводимый от коленчатого вала, не нужен, так как энергии отработавших газов достаточно для сжатия воздуха до необходимого давления в турбокомпрессоре при всех скоростных и нагрузочных режимах работы.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector