книги из ГПНТБ / Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания

АГРЕГАТЫ

ВОЗДУХОСНАБЖЕНИЯ

КОМБИНИРОВАННЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ

ВНУТРЕННЕГО

СГОРАНИЯ

Под редакцией М. Г. Круглова

Москва

«МАШИНОСТРОЕНИЕ»

1973

ВВЕДЕНИЕ

Если на первой стадии развития комбинированные двигатели внутреннего сгорания применялись в основном там, где требова­ лись большие агрегатные мощности, то в настоящее время они широко используются в автомобилестроении, тракторостроении и других отраслях, где агрегатная мощность силовых установок сравнительно невелика.

Непрерывно ускоряющееся развитие техники требует все бо­ лее быстрого роста агрегатной мощности двигателей, сокраще­ ния их удельных габаритов и улучшения экономичности без су­ щественного увеличения массы при постоянно возрастающей надежности. С целью упрощения силовой передачи к комбини­ рованному транспортному двигателю предъявляется требование обеспечения хорошей тяговой характеристики.

Увеличение мощности поршневого ДВС (двигателя внутрен­ него сгорания) без изменения его размеров связано с решением задачи сжигания в цилиндрах больших порций топлива за цикл Решение задачи сжйгдниц больших порций топлива за цикл по­ требовало решения дюирхэеа. подачи за цикл больших порций воздуха в цилиндрьГпбршнёвои части для обеспечения наиболее полного сгорания топлива, в ряде случаев для продувки цилинд­ ра и для поддержания в допустимых пределах температуры выпускных газов. Вопросы воздухоснабжения двигателя стали одними из определяющих прогресс двигателестроения.

Увеличение подачи воздуха в цилиндры поршневого ДВС за цикл может быть наиболее эффективно обеспечено повышением плотности воздуха вследствие его предварительного сжатия пе­ ред поступлением в цилиндры при газообмене. Этот способ, из­ вестный под названием наддува, успешно применяется как в че­ тырехтактных, так и в двухтактных двигателях.

Опыт показывает, что плотность воздуха, подаваемого в ци­ линдры двигателя с наддувом, можно увеличить в 3 раза и более по сравнению с плотностью атмосферного воздуха. Ограничени­ ем является тепловая и механическая напряженность двигателя и трудности охлаждения больших масс воздуха.

Невысокое предварительное сжатие воздуха применялось давно. Для этих целей использовались компрессоры, механиче-

1 В настоящее время в качестве поршневой части комбинированного ДВС используют в основном дизели и редко — карбюраторные двигатели. Поэтому

вдальнейшем, если не будет специальной оговорки, в комбинированных ДВС

вкачестве поршневой части предполагаются дизели.

3

ски связанные с коленчатым валом двигателя. Однако при та­ ком способе подачи воздуха возможности форсирования мощно­ сти двигателя весьма ограничены. Поэтому в дальнейшем для привода компрессоров получили широкое распространение тур­ бины, использующие энергию выпускных газов поршневых ДВС. Применяются комбинированные двигатели, у которых мощность турбины передается на коленчатый вал, а от последнего приво­ дится компрессор '.

Комбинация поршневого ДВС с турбиной и компрессором от­ крывает большие возможности для получения необходимого протекания характеристики силовой установки. В связи с этим существенно усложняются как сами агрегаты системы воздухоснабжения, так и схемы их соединения с поршневым двигателем. Кроме того, повышаются требования к эффективности, долго­ вечности и надежности их работы.

Однако объединение турбины и компрессора с поршневым ДВС не только усложнило силовую установку, но также ухуд­ шило в ряде случаев протекание его характеристик и работу на некоторых режимах (пуск, переходные режимы, холостой ход, малые нагрузки и т. д.). Усложнились вопросы доводки двига­ теля с целью получения необходимых показателей, так как на их величину в комбинированном двигателе большое влияние ока­ зывают не только работа дизеля, но и характеристики компрес­ сора, газовой турбины и конструктивные параметры газовоздуш­ ного тракта. Усовершенствование компрессоров, газовых турбин и охладителей, являющихся основными агрегатами системы воздухоснабжения,— один из важнейших путей улучшения пока­ зателей работы комбинированного двигателя. Этому вопросу

внастоящее время уделяется большое внимание.

Влитературе опубликовано значительное число работ, в ко­ торых рассматриваются отдельные вопросы воздухоснабжения комбинированных двигателей. Однако до настоящего времени отсутствуют обобщающие работы по этому вопросу. Особенно это относится к доводке отдельных агрегатов и системы возду­ хоснабжения в целом. Учитывая, что за последние годы опубли­ ковано достаточно много трудов, посвященных собственно тео­ рии компрессоров, газовых турбин и охладителей воздуха, в на­ стоящей работе больше внимания уделяется опыту проектирова­ ния, доводки и экспериментального исследования воздухоснаб­ жения, особенностям теории и расчета, обусловленными объеди­ нением их с поршневым двигателем внутреннего сгорания, а так­ же характеристикам этих агрегатов, согласованию характеристик отдельных агрегатов между собою и с характеристикой поршне­ вой части.

1 В настоящее время в составе комбинированных двигателей с отбором мощности потребителю от коленчатого вала в основном применяются центро­ бежные компрессоры (редко приводные объемные).

lU U уѵші КОМБИНИРОВАННЫР ДВИГАТЕЛИ

И ТРЕБОВАНИЯ К ИХ АГРЕГАТАМ ВОЗДУХОСНАБЖЕН ИЯ

СХЕМЫ КОМБИНИРОВАННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Несмотря на многообразие схем комбинированных двигате­ лей, все они могут быть классифицированы по признаку связи

Воздух может охлаждаться не только в поверхностных охла­ дителях (см. ниже).

Дальнейшим развитием рассмотренной схемы комбинирован­ ного двигателя являются схемы с двухступенчатой системой по­ дачи воздуха и охлаждением воздуха после каждой ступени (рис. 2) или перед поступлением в двигатель, или только после первой ступени.

Более сложным является комбинированный двигатель, со­ стоящий из поршневой части, воздушных компрессоров и газо­ вых турбин, но имеющий не только газовые, но и механические связи между поршневой и лопаточными машинами (рис. 3). Кроме конструктивных отличий, такой двигатель обладает и

5

свойствами, отличными от свойств двигателя с турбокомпрессо­ рами, имеющими только газовую связь с поршневой частью.

В этом классе комбинированные двигатели выполняются по нескольким схемам. Прежде всего следует отметить двигатели,

Г/ //

е>

Рис. 3. Схема комбинированного двигателя с механичес­ кой связью между поршневой и лопаточными машинами:

а — компрессор и турбина имеют одинаковую частоту враще­ ния; б — компрессор и турбина имеют разную частоту враще­ ния; 1 — поршневая часть; 2 — компрессор; 3 — газовая тур­

бина; 4 — механическая передача

ступеней предварительного сжатия воздуха (рис. 4). Другая ступень (или ступени) приводится во вращение газовой тур­ биной (или турбинами). Они имеют газовую связь с поршневой

6

частью. По такой схеме выполняются двухтактные двигатели ЮДН 20,7/2 X 25,4 (10Д100), 12ДН23/30 (14Д40) и 16ДН23/30 (11Д45) и др.

Рис. 4. Схема двухтактных комбинированных двигателей с двухступен­ чатым сжатием воздуха:

Разновидностью схем, изображенных на рис. 4, является схе­ ма двухтактного двигателя с двухступенчатым сжатием возду­ ха, в которой осуществляется перепуск воздуха мимо приводного

Рис. 5. Схема с обводом воздуха мимо приводного объемного компрессора:

/ — турбокомпрессор; 2 — холодильник воздуха; 3 — приводной объемный компрессор; 4 — эжектор; 5 — обвод воздуха; 6 — обратный клапан

объемного компрессора (рис. 5). При такой схеме объемная про­ изводительность приводного объемного компрессора может быть значительно меньше объема, описываемого поршнями за едини­

7

цу времени, и определяется только условиями пуска и работы двигателя на малых нагрузках.

Дальнейшим развитием двигателей с механическими связями является создание двигателей с гидромуфтами и гидротрансфор­ маторами, а также с передачами с управляемым передаточным

механической трансмиссии, включающей гидромуфту и две муф­ ты свободного хода. Такая передача позволяет двигателю эко­ номично работать с малой частотой вращения и большим кру­

ших в цилиндрах поршневой машины газов не в одной, а в двух механически не связанных между собой газовых турбинах позво­ ляет улучшить характеристики комбинированного двигателя.

Известны две схемы комбинированных двигателей с силовы­ ми газовыми турбинами. В первой схеме отработавшие в ци­ линдрах поршневой части газы направляются в силовую газовую

8

турбину, а из нее — в турбину, вращающую компрессор. Такая схема использована в комбинированном двигателе 16ЧН 24/27 (типа Д70) (рис. 7).

Вторая схема, в которой отработавшие в цилиндрах газы на­ правляются в газовую турбину привода компрессора, а из нее — в силовую газовую турбину, применена фирмой МАН в комби­ нированном двигателе 6ЧН 30/45.

Двигатели, выполненные по этой схеме, обеспечивают полу­ чение максимальной топливной экономичности на так называе­ мом расчетном режиме работы. Многоступенчатое расширение газов в турбинах позволяет сни­ жать скорости рабочего тела в межлопаточных каналах-и доби­ ваться более высоких к. п. д. тур­ бин. Расчетные исследования по­ казывают, что в комбинирован­ ном двигателе с расположением газовых турбин по первой схеме при снижении частоты вращения коленчатого вала будет снижать­ ся предельно возможное значе­ ние среднего эффективного дав­ ления более резко, чем при рас­ положении газовых турбин во второй схеме.

Известны схемы комбинированного двигателя с парогазовы­ ми, паровыми, воздушными и даже фреоновыми турбинами в си­ стеме воздухоснабжения.

Рабочим телом в парогазовой турбине служит парогазовая смесь, состоящая из отработавших в цилиндрах поршневой ча­ сти газов и пара, получаемого в системе высокотемпературного (испарительного) охлаждения двигателя.

Водяной пар для паровой турбины получается в специальном охладителе выпускной системы или в системе охлаждения дви­ гателя. Используют и пары легкокипящих жидкостей, например фреона. В этом случае в системе воздухоснабжения комбиниро­ ванного двигателя для достижения глубокого охлаждения над­ дувочного воздуха монтируют холодильную установку. В двига­ телях фирмы Купер — Бессемер система воздухоснабжения включает, кроме газовой турбины, также и воздушную турбину, выполняющую функцию турбодетандера и одновременно служа­ щую для привода компрессора второй ступени сжатия воздуха (рис. 8).

Представляет интерес комбинированный двигатель юго-за­ падного научно-исследовательского института (ЮЗНИИ США),

9