книги из ГПНТБ / Ченцов В.Н. Тепломеханическое оборудование автономных источников электроснабжения конспект лекций

хую приемистость,

и высокоточное

регулирование

их

скорост­

ного режима является весьма сложной технической проблемой.

Основное достоинство газовой турбины - большая удельная

мощность - несущественно для стационарной

силовой

установки.

По указанным причинам в войсковых

стационарных источниках э л е к ­

троэнергии замена

дизелей газовыми

турбинами

нецелесообразна

даже с учетом простоты турбины и ее высокой

надежности.

Вышеизложенное свидетельствует об актуальности конструк­

тивного

усовершенствования дизелей

войсковых

автономных

ис ­

точников

электроснабжения.

Основные

направления совершенствования

транспортных

д и з е ­

лей и дизелей

общепромышленного назначения

связаны

с

их

фор­

дежности вследствие

уменьшения жѳсткооти работы

(см . §

5 ) ;

- внедрение выеовотемпературных испарительных систем охлаж­

дения

(см.§ 16);

-

создание систем

автоматического управления

ДГУ на

основе

-

повышение систем сейсмостойкости дизелей и

их сиотѳм.

-

уменьшение шума, вибраций

и загазованности

сооружений,

обеспечивающих улучшение

их обитаемости;-

-

усовершенствование

процессов впрыска топлива с

цель»

по ­

зыве ния экономичности и снижения фактора динамичности

(см . §

5>

Эти. задачи определяют

направления в области усовершенство­

вания

конструкции дизелей

ДГУ.

'

В области эксплуатации дизелей актуальной задачей

является

разработка методов безпазборной

диагностики технического с о ­

динамичности уменьшаются

макси­

мальное давление Р% .жесткость pa-

I

^

^

боты дизеля

W

, улучшаются

эко-

^

I п

| \Л

~

ионические

показатели.

Наиболее

полно указанная

желательная

зако-

ноиерность

впрыска

реализуется при

двухфазном

впрыске,

когда

форсунка

открывается

дважды: сначала

для

впрыска первой,

"запальной"

дозы

топлива, потом - для впрыска

основ­

ной

дозы. Двухфазный

впрыск

осу­

ществляется плунжером

ТНВД

особой

формы, представленной на рис,95. На

части

поверхности головки

обычного

плунжера

выполняется

паз

п

высо-

'

той

Ье ,

а на внутренней

поверх-

Я О С Т И

Г И Л Ь 8 Ы ВЫПОЛНЯеТСЯ

ПРОДОЛЬНЫЙ

карман

К . Двухфазный впрыск осуществляется

следующим образом.

С момента

совмещения

торца

й

плунжера с верхней кромкой d от­

верстия в

гильзе начинается первая фаза впрыска и продолжается

на величине хода плунжера,

соответствующего

отрезку ab*

cd.

С момента

совмещения кромки

b паза с торцом

с кармана

к пѳр-

чину

be - cd

. С момента совпадения

точек

е л

d па плунжере

и гильзе начинается вторая, основная

фаза

впрыска

и

продолжает­

ся

до момента

совпадения

точек ж

и

|

на

гильзе

и плунже­

ре .

Если паз

п

выполнить

спиральным

и

переменным

по

высоте,

то в зависимости от нагрузки, т . е . от

поворота плунжера,

ав ­

томатически по желательному закону будет изменяться

фактор

динамичности. Но данным И.А.Астахова, ваедреагѳ

двухфазного

вирысяа в дизели с высоким

наддувом

давление

Рг

снижается

на

294

6,5%,

а жесткость

W

работы

-

на 23%.

Форсирование

дизеля с

двухфазным

впрыском

до

прежних

значений

параметров

Ръ и W

в отдельных

случаях

приводи?

к

увеличению среднего

эффектив­

ного

давления до

30%.

ТНВД (см . §

12 и

15) .

На рис.96а

представлен

калапан-коррекгор,

обеспечивающий уменьшение дозы впрыс­

киваемого

топлива с

увеличением

с к о ­

ростного режима

дизеля

за

счет

измене­

о

о

ния

объема

топлива,

отсасываемого

пояс­

о

о

ком

й

при

посадке клапана на

свое

О/—у°

гнездо . Принцип действия клапана

с о ­

стоит в следующем. При возрастании

давления в процессе нагнетания топливо

поступает

к

форсунке

через

осевое

сверление Q в клапане, радиальное

сверление

Ь

и

зазор

с

между

запор­

ным конусом

клапана

и

его

гнездом

в

гильзе . При малых скоростных режимах

гидравлические

сопротивления

прохож­

дению топлива малы и клапан

поднимает­

'StYYYYYYYgY'

ся

на малую

величину,

поэтому

объем

о

о

отсасываемого топлива

мал

и

подача

о

о

о

о

топлива

к

форсункам

относительно

в е ­

лика.

При

возрастании

скорости

дви-

жения плунжера сопротивления возрас­

тают, клапан поднимается на большую

величину,

объем

отсасываемого

топлива

пояском

d

увеличивается,

а

объем

А

гпрыскиваемого

топлива

уменьшается.

Уменьшение

дозы

топлива

при

у в е -

? И С - 96

личении

скоростного

режима

дизеля

обеспечивает увеличение фактора устой­

чивости

(§

13,

р и с . 5 0 ) , саморегулируемость

дизеля

при

работе

на всех видах нагрузок способствует улучшению статических

и

динамических характеристик

системы

регулирования

скоростного

режима

дизеля.

Увеличение скоростного режима дизелей ограничивается вол ­

новыми

процессами в

трубопроводах

высокого давления,

возникаю-

применением клапаног

с гидравлическим торможением. Схема та ­

кого клапана представлена на рис . 966 . Принцип

гидравлического

торможения состоит в том, что при посадке

клапана на гнезде

топливо выдавливается

из кольцевого зазора

к

между

клапаноі:

и гильзой

через зазор

5

между конусным

пояском клапана

и во -

, ротяиком

гильзы. Плавная

посадка клапана

sa гнездо

предотвра­

щает возникновение волновых процессов в трубопроводах,

вслед­

ствие чего становится

возможным форсирование

дизеля

путем уве ­

Cvdy

oUo( '+

irr) Px

x

3600 • 6n

T

dV

, и

V

dx

-

1,986-

(U

U')

V

dy

296

где

С у -

иэохорная теплоемкость

г а з о в , неменяющаяся в

з а в и ­

симости от температуры и состава снеси в цилиндре,

ккал/моль-град;

Т

-

текущее значение температуры в цилиндре,

°К;

ср -

угол поворота коленчатого

вала;

QH

-

низшая теплотворная

способность топлива,

к к а л / к г ;

о/

-

коэффициент

избытка

воздуха;

L0

-

теоретически

необходимое

количество воздуха

для

сгорания одного килограмма топлива;

ï"p

-

коэффициент

остаточных

гаэов;

нения;

X

-

доля

топлива,

сгоревшая

к

даннону моменту врѳнени

(углу

поворота

коленчатого

в а л а ) ;

—

-

относительная скорость сгорания топлива I / п . к . в . ;

оі Q -

коэффициент теплопередачи

от газа к

стенкам

ци­

линдра

к к а л / н 2 ' ч а с « г р а д ;

F

-

текущее значение поверхности теплообмена между

г а ­

зон и стенками

цилиндра,

отнесенное

к молю

снеси

Fcm-

м 2 /моль;

средняя

условная температура стенок

цилиндра,

°К;

п

-

число оборотов коленчатого вала в минуту;

V

-

текущий

объем

одного моля

газа в цилиндре,

м 3 /моль;

N)

-

постоянная, зависящая от параметров oL , р0 , у ;

ü"aU'-

внутренняя энергия чистых

продуктов

сгорания и

в о з ­

духа,

ккал/моль.

Уравнение имеет ясный

физический смысл.

В левой его части представлена

скорость

подвода

тепла

к

одному

молю г а з а . В правой

части

также

представлены

скорости

изменения теплосодержания

одного

моля газа

за

счет:

-

процесса сгорания топлива

(первое

слагаемое правой

ч а с ­

ти уравнения);

-

теплоотвода

в стенки

цилиндра

(второе

слагаемое);

-

совершения

(при расширении

) или затраты (при сжатии)

механической работы (третье слагаемое);

- изменения состава смеси в

цилиндре

(четвертое

с л а г а ­

емое ) .

Изменение коэффициента

теплопередачи

определяется на

основании эмпирических формул (см.§

2 1 ) .

Эмпирическая зазиси -

29?

м о е » теплоемкости

от температуры 7" принимается линей­

ной. Текущее значение

поверхности

теплообмена

в

зависимости

от угла поворота коленчатого вала

принимается

на

основе р а з ­

мещения поршня в зависимости от

угла

поворота коленчатого

вала.

d

X

Законом сгорания топлива ( т . е . интегралом

функции

)

или

задаются, или принимают его на основании

экспериментальных

данных. Осрѳднѳнной температурой

ТСт

поверхности

стенок

ци­

линдра задаются на основании опытных данных.

Таким образом, уравнение баланса тепла приводится к линей­

ному дифференциальному

уравнению

первого

порядка:

"Прямой"

метод

расчета

на

ЦВМ состоит

в численном

интегри­

ровании уравнения с шагом интегрирования

2 - 5 °

угла

поворота

коленчатого

вала .

В результате

решения

уравнения

определяется

зависимость

температуры

Г

в

цилиндре

от

угла поворота

колен­

коленчатого вала,

т . е . получают информацию, на основании к о ­

торой строится расчетная индикаторная диаграмма цикла.

Дополнительно

в процессе расчета на ЦВМ получают сведения

Недостатком метода является

отсутствие

достоверных

и пол­

ных

данных о скорости ( т . е . законе) сгорания топлива в различ­

ных

типах дизелей при различных

значениях

коэффициента

ot ,

различных

способах смесеобразования,

степени

сжатия е

и т . д .

На основании изложенной методики "прямого" теплового

расчета

разработан

метод табличного прямого

расчета .

Недостатком т а ­

29С

типов тепловых двигателей. Наиболее интенсивно проводятся

р а ­

боты по созданию роторных двигателей внутреннего сгорании

(двигателей Ванкѳля) и двигателей внешнего

сгорания

(двигате­

лей Стирлинга). Принцип действия роторного

двигателя

поясняет­

ся

р и с . 9 7 . В статоре

I

двигателя

совершает

планетарное движе­

ние

ротор 2 . Полость

в

статоре, в

которой

вращается

ротор,

о б ­

вом,

что

в процессе вращения ротора он своими вершинами G

все

время

скользит по этой поверхности. В вершинах ротора

устанавливаются подпружиненные

уплотнительные

пластины. Прь

положении

ротора, изображенного

пунктиром, в

процессе его BDS-

объема полости

А

. Так как

эта полость казало» 5 соединена с

карбюратором,

то

происходи?

всасывание горючей

смеси.

Осъек

замкнутой полости

В (см.пунктирное изображение

ротора)

в это

полости

В

до

объема полости С.

Этому

перемещению

соответст ­

вует рабочий

ход,

так

как

происходит

расширение

продук­

тов сгорания.

Дальнейшее

в р а ­

щение

ротора

сопровождается

соединением полости

С

с

вы­

хлопным

окном

4

и

выхлопом

продуктов

сгорания.

Достоин­

ством

роторных

двигателей я в ­

ляется

простота

конструкции

и

хорошая

уравновешенность.

По

основным показателям

р о ­

Рис.97

торные

двигатели

близки

к

карбюраторным

поршневым

дви­

мест сопряжения ротора со статором.

Принцип

действия

двигателя

внешнего

сгорания (двигателя

Стирлинга)

поясняется

р и с . 9 8 .

Основными

элементами двигателя

300

ле происходит в нагревателе 7, охладителе 5 и регенераторе

6.

При вращении шестерен 4 изменяется

расстояние между

шарнира­

ми

a

z

пределах 4 Я . Поэтому

поршни I и 3 то расходятся,

то

сходятся.

В то

же

самое время

поршни совершают возвратно-посту­

пательное

движение вдоль

оси

цилиндра

2 .

П О Л Е Ы Й объем цилиндра состоит из объема Ѵр межпоршневого

пространства,

объеиа

Ѵр

над

порганем-вытеснителем

и

относи­

тельно

небольшого

суммарного

объема

полостей нагревателя

7,

р е ­

генератора 6 и холодильника 5. Указанный замкнутый объем

з а ­

полняется водородом или гелием при давлении около 100

а т .

Этот

объем при работе двигателя изменяется на величину рабочего

объ­

ема

V s

, описываемого рабочим поршнем 3.

Заметим,

что

вследствие соединения

полостей

Ѵ р

и

Ѵр

ч е ­

рез

нагреватель,

регенератор

и холодильник

давления

в

этих

по ­

лостях

практически равны, поэтому поршень-вытеснитель

I

никакой

работы

на

валы

КШМ не

передает.

Назначение

поршня-вытеснителя

состоит

в

том,

чтобы

перегонять

газ

из

полости

Ѵ'р

в

полостьѴр

и обратно. Принцип действия двигателя состоит в том, что при

движении

рабочего

поршня 3 вверх поршень-вытеснитель

находится

около В . М . Т . ,

поэтому

газ

прошзл

через

холодильник

5

в

no-

гость

V ,

ч

на

его сжатие тратится малая работа. При ходе же

рабочеги

поршня 3

ьаиз поршень-вытеснитель I находится

около

н , м . т . ,

газ

прошел из

объема

Ѵ0

в объем

Ѵр

через

нагрева­

тель

7,

давление

газа повысилось ориентировочно до 200 ат

и

рабочий поршень 3 получает большую работу.

Цикл

рассматриваемого

двигателя

состоит

из

следующих

т а к ­

т о в :

Такт I (охлаждение). Поршень-вытеснитель движется вверх,

перегоняя

г а з

из

полости

Ѵр"

в П О Л О С І Ь

Ѵ р

через

нагрева­

тель

7,

регенератор 6

и холодильник

5.

Тепло, полученное

газом

в

нагревателе

7,

накапливается в регенераторе 6. Рабочий пор­

шень

3

находится

около н . м . т . , при

этом сжат воздух

в

буферном

нижнем

объеме

Vg

цилиндра-

Такт

П (сжатие) . Рабочий

поршень 3

двигается вверх

(от

поршень-вытеснитель

находится около в . м . т .

Такт

Ш (нагревание) . Поршень-вытеснитель I

движется вниз,

перегоняя

газ

из

полости

Ѵр

в

полость

Ѵр

, при этом

газ

нагревается,

так

как

он проходит

по трубкам

в

теплообменнике 7,

омываэмых

пламенен;

кроме

того,

к

газу возвращается тепло,

р а -