книги из ГПНТБ / Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания

состоящий из двухтактной поршневой части с противоположно движущимися поршнями, поршневого компрессора, поршни кото­ рого непосредственно связаны с поршнями двигателя, и силовой газовой турбины, объединенных общим валом съема мощности (рис. 9). Двигатель имеет мощность 735 кВт при частоте враще­ ния 3000 об/мин и удельном расходе топлива 198 г/(кВт-ч).

Комбинированный двигатель, состоящий из свободно-порш­ невого генератора газа (СПГГ) и кинематически не связанной с ним газовой турбины, не получил широкого распространения,

Рис. 9. Схема комбинированного двигателя ЮЗНИИ США:

I — поршневая часть; 2 — поршни компрессора; 3 — зубчатая передача; 4 — механизм управления степенью сжатия поршневой части; 5 — силовая газовая турбина

несмотря на благоприятную для транспортной установки харак­ теристику. Основной причиной этого является худшая по срав­ нению с дизелем экономичность, что является следствием до­ вольно узкого температурного перепада рабочего тела, исполь­ зуемого в СПГГ с газовой турбиной. Если увеличить нагрузку на цилиндры дизеля генератора газа, получая от них энергию не только на привод компрессора, но и для передачи внешнему по­ требителю, то появляется возможность поднять верхний темпе­ ратурный предел рабочего процесса, а следовательно, улучшить и экономичность, не повышая температуру перед газовой тур­ биной.

В заключение следует остановиться на комбинированных дви­ гателях с волновыми обменниками давления. Рабочий процесс в волновых обменниках давления основан на прямом обмене энергией между двумя рабочими телами. В них для сжатия воз­ духа, подаваемого в двигатель, используется энергия отработав­ ших в цилиндрах поршневой части газов [49].

Использование волновых обменников давления позволяет практически снять одно из важных ограничений современных систем воздухоснабжения — уровень температуры на входе в га­

10

зовую турбину. Это объясняется тем, что по каналам волнового обменника давления попеременно движутся горячие выпускные газы и холодный воздух. Кроме того, как показывают результа­ ты испытаний, волновой обменник давления обеспечивает отно­ сительно более высокую приемистость двигателя, малое измене­ ние давления воздуха на впуске при уменьшении частоты вращения коленчатого вала в случае работы по внешней харак­ теристике, а также более высокое значение эффективного к. п. д. двигателя.

Серьезными недостатками волнового обменника давления являются высокий уровень шума, большие габаритные размеры, наличие механического привода и чувствительность к изменению давления на впуске в обменник давления и на выпуске из него.

ВЛИЯНИЕ СХЕМЫ КОМБИНИРОВАННОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ЕГО РАБОТУ

Объединение поршневого двигателя с компрессорами и тур­ бинами обусловило рост тепловой и механической напряженно­ сти двигателя, изменение законов протекания его характери­ стик и возможного диапазона работы. Поршневой двигатель практически потерял универсальность своей характеристики, ко­ торой он обладал до своего объединения с лопаточными маши­ нами.

Анализу изменения тепловой и механической напряженности поршневого двигателя в составе комбинированного и методам их управления посвящены специальные труды [30]. Изменение теп­ ловой и механической напряженности достигается соответствую­ щей организацией рабочего процесса. Поэтому в настоящей ра­ боте они не рассматриваются.

По мере роста давления воздуха на входе в поршневую часть, а следовательно, и среднего эффективного давления из-за огра­ ниченных возможностей расширения рабочего тела в цилиндре поршневого двигателя энергия выпускных газов увеличивается. В то же время затраты энергии на предварительное сжатие воз­ духа растут менее интенсивно. Поэтому целесообразно часть не использованной для предварительного сжатия воздуха энер­ гии передавать на вал двигателя и далее потребителю. Такая передача энергии может осуществляться как с помощью турбин, используемых для привода компрессоров, так и с помощью спе­ циальных силовых турбин. Вследствие того, что в газовой тур­ бине более эффективно, чем в поршневой машине, используется энергия при низких давлениях рабочего тела, то целесообразно в силовой турбине или в турбине ТК комбинированного двигате­ ля использовать не только неиспользованную для предваритель­ ного сжатия воздуха часть энергии выпускаемых из цилиндров газов, но также и некоторую дополнительную часть потенциаль­ ной энергии газов, которая могла бы, вообще говоря, быть ис-

11

пользована в поршневой части комбинированного двигателя. Это можно сделать путем более раннего открытия выпускных орга­ нов поршневой части. Используя этот принцип, можно создавать двигатели с высокой топливной экономичностью и удельной мощ­ ностью на расчетном режиме, а также воздействовать на харак­ теристику комбинированного двигателя.

Как известно, в зависимости от характера использования энергии выпускных газов в турбине различают системы с посто­ янным (иногда называемые изобарными) и с переменным (назы­ ваемые импульсными) давлением перед ней. Использование той или иной системы оказывает заметное влияние на работу ком­ бинированного двигателя и конструкцию его выпускной системы

итурбины, что достаточно подробно уже освещено в литературе.

Вдвигателе с импульсной турбиной среднее давление в вы­

пускной системе ниже, чем в двигателе той же мощности, но с турбиной постоянного давления на входе. В связи с этим умень­ шаются насосные потери и повышается к. п. д. двигателя, а так­ же становится легче организовать продувку цилиндра. Энергети­ ческие преимущества импульсная система использования энергии выпускных газов сохраняет до давлений воздуха на входе в поршневую часть рк ~ (0,25 -к 0,3) МН/м2. Комбинированные двигатели с импульсной системой также лучше работают на не­ установившихся и переходных процессах и на малых нагрузках. Однако пульсирующий поток на входе в турбину обусловливает уменьшение ее к. п. д. и увеличивает колебания лопаток, что требует принятия специальных мер по обеспечению их надежной работы. Для наиболее полного использования преимуществ им­ пульсной системы преобразования энергии выпускных газов не­ обходимо в один выпускной трубопровод (минимально допусти­ мых размеров) отводить отработавшие газы из цилиндров, выпуски из которых не совпадают по фазе, и каждый из таких трубопроводов присоединять к отдельному подводящему патруб­ ку турбины. Это усложняет конструкцию выпускной системы двигателя и турбины.

Стремление устранить недостатки импульсных систем приве­ ло к созданию специальных конструкций выпускных систем дви­ гателей. Одним из таких решений является применение на выпуске из поршневой части преобразователя импульсов, позво­ ляющего с минимальными потерями преобразовывать кинетиче­ скую энергию потока в потенциальную энергию давления. Уста­ новка преобразователя импульсов обеспечивает сохранение низкого статического давления на выпуске из поршневой части (а следовательно, уменьшает потери при газообмене и улучшает очистку) и постоянного давления перед турбиной (что повыша­ ет ее к. п. д. и надежность).

Обычный поршневой двигатель обладает высокой приемисто­ стью, и, работая, например, с электрогенератором при постоян­ ной частоте вращения, может почти мгновенно воспринять воз-

12

растающую до максимума нагрузку. Для транспортных машин важно, чтобы двигатель мог быстро развивать большой крутя­ щий момент при переменной частоте вращения его вала. Иссле­ дования показывают, что переходный процесс в дизеле без тур­ бонаддува в несколько раз (в отдельных случаях приблизитель­ но в 5 раз) короче, чем в современном комбинированном двигателе. Это предопределяется влиянием элементов системы воздухоснабжения (коллекторов, агрегатов воздухоподачи, реси­

достигающее 12% при резком увеличении нагрузки от 0 до 80%, недопустимо для многих электрических установок. Поэтому в последнее время улучшению регулирования скорости комбини­ рованного двигателя с электрогенератором уделяется большое внимание.

Известно, что одним из возможных способов повышения прие­ мистости комбинированного двигателя является введение меха­ нической или гидравлической связи между коленчатым валом поршневой части и компрессорами (или турбокомпрессорами). Однако в этом случае обычно ухудшается топливная экономич­ ность комбинированного двигателя на всех (исключая номиналь­ ный) режимах и увеличиваются размеры и масса двигателя.

К- п. д. турбокомпрессора, механически не связанного с ко­ ленчатым валом, на большинстве режимов выше, чем в двигате­ лях, имеющих механическую связь вала поршневой части с ва­ лом ТК. Объясняется это тем, что в турбокомпрессорах с газовой связью автоматически устанавливается оптимальное или близкое к нему соотношение между окружной скоростью рабочего коле­

13

са турбины и абсолютной скоростью, газов. При механической связи такое соотношение устанавливается только на расчетном режиме работы. Кроме того, относительно большие масса и мо­ мент инерции ротора ТК обусловливают необходимость создания сравнительно мощной передачи с большим передаточным отно­ шением и, следовательно, с увеличенными нагрузками на меха­ низм, особенно во время неустановившихся и переходных про­ цессов.

Теоретические и экспериментальные исследования показыва­ ют, что независимо от степени форсирования для всех комбини­ рованных двигателей с газовой связью секундный расход возду­ ха уменьшается быстрее уменьшения частоты вращения колен­ чатого вала; при этом чем выше форсирование двигателя по ре на номинальном режиме, тем больше градиент падения расхода воздуха при снижении частоты вращения. Поэтому для поддер­ жания постоянного или хотя бы минимально допустимого по условиям теплонапряженности или протекания сгорания значе­ ния коэффициента избытка воздуха при отклонении частоты вращения вала от номинального приходится уменьшать цикло­ вую подачу топлива (а следовательно, и среднее эффективное давление) или применять специальное регулирование агрегатов, воздухоснабжения для обеспечения подачи необходимого коли­ чества воздуха. В противном случае диапазон изменения часто­ ты вращения вала, в котором может работать двигатель надеж­ но, недопустимо суживается.

Работа двигателя зависит от схемы связи между его отдель­ ными элементами.

Принципиальной особенностью протекания рабочего процесса в комбинированных двигателях^; газовой связью является равенство частот вращения и мощности турбины и компрессора

это обеспечивает получение высокого к. п. д. турбокомпрессора. Факторы, обусловливающие протекание рабочего процесса в отдельных звеньях и в комбинированном двигателе с механи­

ческой связью, следующие:

«жесткая» связь между частотами вращения валов: пк = ік п;. пт= hn и, если колеса турбины и компрессора расположены на одном валу, то пк = пт= птк\ ік = іт= ітк и пТк = іткп, где

ік, іт и іТк — передаточные отношения передач соответственно между валами компрессора, турбины, турбокомпрессора и валом поршневой части;

одинаковый расход воздуха через компрессор и двигатель и газов через двигатель и турбину (утечками рабочего тела мож­ но пренебречь);

полные давления на выходе из компрессора и на входе в поршневую часть отличаются лишь на величину потерь в охла­ дителях и трубопроводах;

14

полные давления газа на выпуске из поршневой части и на входе в турбину отличаются на величину потерь в трубопро­ водах;

расход газа через турбину больше расхода воздуха через компрессор на величину расхода топлива.

Принципиальные особенности работы составляющих элемен­ тов двигателей с комбинированной связью зависят от схемы при­ соединения компрессоров.

При параллельной подаче воздуха компрессорами их степе­ ни повышения давления одинаковы, а расход воздуха через дви­ гатель равен сумме расходов воздуха через компрессоры.

При последовательном сжатии воздуха в компрессорах рас­ ход воздуха через двигатель и каждый из компрессоров одина­ ков. Общая степень повышения давления в этом случае равна произведению степеней повышения давления во всех компрес­ сорах.

В двигателях с комбинированной связью расход газа через двигатель и турбину одинаков, а частота вращения вала привод­ ного компрессора пропорциональна частоте вращения вала поршневой части.

Характерными условиями протекания рабочего процесса со­ ставляющих элементов поршневого генератора газов с газовой турбиной являются одинаковый расход воздуха через компрес­ сор и двигатель и газов через двигатель и турбину, равенство давлений воздуха на выходе из компрессора и на входе в ци­

учесть). В комбинированных двигателях со свободно-поршневы­ ми генераторами газов число и величина ходов поршней двига­ теля и компрессора одинаковы.

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ АГРЕГАТОВ ВОЗДУХОСНАБЖЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Условия работы агрегатов воздухоснабжения комбинирован­ ного двигателя имеют свои характерные особенности. Они обу­ словлены требованиями к характеристике и диапазону работы по частоте вращения и мощности комбинированного двигателя внутреннего сгорания, цикличным характером протекания рабо­ чего процесса поршневой части, схемой связи между отдельны­ ми составными элементами двигателя и его конструкцией в целом.

Как указывалось выше, одной из характерных особенностей развития комбинированных двигателей является непрерывный рост среднего эффективного давления, обеспечиваемый в основ­ ном увеличением давления воздуха, подаваемого в цилиндры поршневой части. В связи с этим изменяются диапазон измене­ ния расхода воздуха и закон изменения его подачи в зависимости

15

от режима работы двигателя. Поэтому для устойчивой и эконо­ мичной работы в широком диапазоне изменения режимов дви­ гателя центробежный компрессор часто снабжается специальны­ ми устройствами. Эти устройства служат для регулирования ра­ боты компрессоров форсированных транспортных двигателей с высоким давлением воздуха на входе в поршневую часть и со­ гласования ее режима работы с лопаточными машинами (об этом подробно см. ниже).

Циклическое поступление воздуха в цилиндры двигателя че­ рез периодически открывающиеся впускные органы (клапаны, золотники, окна и т. п.) обусловливает колебания давления в по­ лости нагнетания компрессора. В связи с этим степень повыше­ ния давления и расход воздуха через компрессор изменяются по времени в достаточно широких пределах. Так как вследствие инерции частота вращения колеса практически остается постоян­ ной и равной некоторой средней, то изменяется режим течения воздуха во всех элементах компрессора, отклоняясь от расчет­ ного. Это непрерывно изменяет условия совместной работы эле­ ментов комбинированного двигателя и приводит к уменьшению его к. п. д. Экспериментальные исследования влияния колебания давления на нагнетании на к. п. д. центробежного компрессора двигателя ЯМЗ-238Н показали, что при амплитуде колебаний около 0,005 МН/м2 к. п. д. компрессора уменьшается приблизи­ тельно на 2—3%.

В судовых двухтактных двигателях большой мощности, ис­ пользующих в качестве второй ступени сжатия воздуха поршне­ вые компрессоры или подпоршневые полости (двигатели Фиат, Гетаверкен, Зульцер, МАН и др.), созданию колебаний давления на выходе из центробежного компрессора способствует периоди­ ческий впуск воздуха в поршневой компрессор или в подпорш­ невые полости. Для устранения вредного влияния этих колеба­ ний целесообразно увеличить до возможного объем впускного трубопровода, а также расширить перекрытие фаз выпуска и впуска. Последнее создает условия для продувки цилиндра и делает течение воздуха через компрессор более равномерным.

Через компрессор проходит все количество воздуха, посту­ пающее в цилиндры поршневой части. При отсутствии регули­ рования перепуском воздуха количество воздуха не зависит от схемы связи поршневой части компрессора и газовой турбины. Условия же работы компрессора зависят от типа этой связи.

При механической связи компрессора его частота вращения пропорциональна частоте вращения вала двигателя. При изме­ нении частоты вращения компрессора изменяются условия про­ текания процесса сжатия, что приводит в центробежных ком­ прессорах также к изменению потерь на удар, обусловленных отклонением скорости потока от расчетной.

В комбинированных двигателях с газовой связью компрессо­ ра в составе турбокомпрессора с изменением режима работы

16

аппарату. В отличие от паровых турбин, где пар непрерывно по­ ступает или к одному, или к нескольким секторам соплового аппарата, в турбинах комбинированных двигателей газ последо­ вательно поступает во все секторы соплового аппарата. В зави­ симости от числа цилиндров, порядка их работы и фаз газорас­ пределения возможно частичное перекрытие процессов поступле­ ния газа, и, следовательно, изменение степени парциалыюсти.

Парциальный подвод газа к отдельным секторам соплового аппарата сопровождается появлением перепада давления по окружности соплового аппарата и утечками газа через зазор между сопловым аппаратом и рабочим колесом, что приводит к снижению к. п. д. турбины и появлению вибрации рабочих ло­ паток. Осевая турбина менее чувствительна к парциальному под­ воду газа, чем центростремительная. Например, по эксперимен­ тальным данным, к. п. д. осевой турбины при степени парциаль­ ное™ 0,5 уменьшается приблизительно в 1,15 раза по сравнению

ск. п. д. при подводе газа ко всему сечению соплового аппарата,

ак. п. д. центростремительной турбины в тех же пределах изме­ нения степени парциальное™ понижается в 1,28 раза.

Вкомбинированных двигателях с импульсной турбиной осу­ ществляется также подвод выпускных газов от отдельных групп цилиндров по разделенным трубопроводам к неразделенному сопловому аппарату. Например, в четырех- и шестицилиндровых комбинированных двигателях для подвода газов используют два трубопровода, присоединенных к двум впускным патрубкам тур­ бины. Так как давление в каждом из них в различные моменты времени не одинаково, то это приводит к перетеканию газа из одного патрубка в другой. Условно можно принять, что в этом случае турбина работает как бы со степенью парциальности_0г5 при различных отношениях напора в одном патрубке к напору

вдругом патрубке.

При раздельном подводе выпускных газов, как и при парци­ альном, происходит уменьшение к. п. д. турбины, но одновре­ менно увеличивается и располагаемая энергия газов перед тур­ биной. Вследствие этого работа турбины при раздельном подводе выпускных газов увеличивается.

Условия работы газовой турбины существенным образом за­ висят от типа связи между турбиной, компрессором и поршневой частью.

Как известно, в настоящее время в комбинированном двига­ теле наиболее широкое распространение получила жесткая связь между турбиной и компрессором в составе турбокомпрессора и газовая связь между последним и поршневой частью. В этом случае частота вращения ротора турбины, равная частоте вра­ щения колеса компрессора, устанавливается соответственно сра­ батываемому в турбине теплоперепаду, зависящему от режима работы двигателя и проходных сечений соплового аппарата и ко­ леса турбины.

18

Окружная скорость колеса турбины, вал которой механиче­ ски связан с валом поршневой части, определяется частотой вращения последнего.

Комбинированный двигатель может работать в широком диа­ пазоне изменения нагрузки и частоты вращения. В связи с этим параметры газа на входе в турбину существенно изменяются. Так как оптимальные условия работы турбины обеспечиваются только на расчетном режиме (выбор которого зависит от требо­ ваний к характеристике и условий работы двигателя), то при работе двигателя на других режимах его показатели ухудшают­ ся и нарушается соответствие между требованиями двигателя, предъявляемыми к турбине, и ее возможностями. Поэтому для обеспечения рациональной совместной работы турбины с двига­ телем в турбинах комбинированных двигателей применяют спе­ циальные регулирующие устройства.

В маломощных центростремительных турбинах широко при- ' меняют безлопаточные направляющие аппараты. В этом случае газ из входного патрубка поступает в улитку и из нее через ; кольцевую камеру на рабочее колесо. Ускорение потока перед | рабочим колесом и заданное его направление обеспечивается вы- і бором соответствующей формы улитки.

Для охлаждения воздуха, поступающего в цилиндры порш­ невой части комбинированного двигателя, используют в основ­ ном поверхностные охладители с водой в качестве охлаждающей жидкости. При проектировании охладителей следует учитывать, что с уменьшением нагрузки двигателя интенсивность охлажде­ ния воздуха должна уменьшаться, а при пуске, на холостом хо­ ду и при работе с малой нагрузкой требуется даже его подогрев. При использовании в качестве охлаждающей жидкости заборт­ ной воды на поверхностях охлаждающих элементов откладыва­ ются соли, ил и т. п. Воздух после компрессоров также может содержать пары или даже капельки масла, которые оседают на охлаждающей поверхности. В результате коэффициент теплооб­ мена существенно уменьшается.

ТРЕБОВАНИЯ К АГРЕГАТАМ ВОЗДУХОСНАБЖЕНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Показатели работы комбинированного двигателя внутренне­ го сгорания в большой степени зависят от работы агрегатов си­ стемы воздухоснабжения. Это относится не только к мощности и экономичности двигателя на номинальном режиме, но также, не в меньшей степени, к изменению мощности и удельного рас­ хода топлива в зависимости от частоты вращения коленчатого вала или нагрузки двигателя. Немаловажное значение имеют пусковые качества, возможность устойчивой бездымной работы на холостом ходу и на режимах малой нагрузки, а также обес­ печение хорошего качества рабочего процесса на неустановив­