книги из ГПНТБ / Чернышев А.Н. Корабельные двигатели внутреннего сгорания. (Теория рабочих процессов поршневого двигателя) учебное пособие
.pdfд и к а л ь н ы м |
и д о с т у п н ы й |
С П О С 0- |
||||||||
б о к |
у в е л и ч е н и я |
м о щ н о с т и |
|
д в и |
||||||
г а т е л я |
я в л я е т с я |
|
у в е л и ч е н и е |
|||||||
у д е л ь н о г о |
в е с а |
в о з д у х а |
( н а д |
|||||||
д у в |
с |
п о с л е д у ю щ и м |
о х л а ж д е н и |
|||||||
е м ) |
п р и |
о д н о в р е м е н н о м |
у в е л и ч е |
|||||||
н и и |
к о л и ч е с т в а |
с ж и г а е м о г о |
||||||||
т о п л и в а . |
Практика |
дизелестроения знает |
примеры, |
|||||||
когда |
за |
счет |
этого |
Ne |
увеличивалось |
более, |
чем вдвое. |
|||
Одновременно необходимо подчеркнуть, что |
не |
всякий |
||||||||
наддув |
может дать желаемое увеличение |
Не , |
так как наря |
|||||||
ду с ростом индикаторной мощности может уменьшаться меха
нический к. п. |
д. |
|
|
|
где |
Ne = |
Ni |
fU , |
|
I k . |
i |
N* |
|
|
t u |
11097) |
|||
N l |
|
N i |
|
|
|
( NM - мощность механических |
потерь). |
||
В зависимости от способа |
наддува величина |
Ым может |
||
уменьиаться, оставаться неизменной или увеличиваться. Спо собы наддува рассматриваются в следующем параграфе.
5. Механический к. п. д.
Сведения о механическом к. п. д. и факторах, влияющих на его величину, приводились как в § 20 гл. УП, так и в настоящей главе. Остается подчеркнуть, что только за счет улучшения технологии и конструкции сочленяющихся деталей, т .е . уменьшения потерь на трение, вряд ли можно существен но увеличить т[м , хотя определенные возможности, очевид но, есть и здесь. Наиболее радикальный путь - это компен сация затрат на привод компрессора путем использования энергии отходящих газов в турбине. В этом случае удается
сохранить (а иногда и уменьшить) Нм |
при одновременном |
270 |
|
увеличении |
Nj, , в результате чего tiM возрастает (см |
уравнение |
(1 0 9 0 ). |
§ *1. Способы и схемы наддува дизелей
По способам наддува двигатели разделяются на:
-двигатели с наддувом от приводного компрессора (с механическим наддувом);
-двигатели с газотурбинным наддувом.
На всех современных двигателях применяется газотурбин ный наддув. Однако прежде чем перейти к рассмотрению наи более типичных схем газотурбинного наддува, рассмотрим возможные пределы повышения мощности дизелей с помощью ме ханического наддува и покажем бесперспективность этого
способа. |
|
|
|
|
|
На рис. |
76 |
схематически изображен двухтактный двига |
|||
тель с механическим наддувом. |
|
||||
Предположим, что |
при |
|
|||
«I кГ/см2 |
обеспечива |
|
|||
ется продувка |
if>a =1,5 и |
|
|||
двигатель развивает |
эффек |
|
|||
тивную мощность |
|
|
|
||
Ne *1000 л. |
с. |
при следу |
|
||
ющих показателях: |
|
|
|
||
Nrp *250 |
л. |
с . ; |
|
|
|
N; * Ne + Nr/s=I250 |
л. |
с . ; |
|
||
Чм =-*7-= |
° ’ 8 ’* |
|
Рис. 76. |
Двигатель с |
|
|
механическим |
наддувом. |
|||
0^ |
=2,0; |
|
|||
|
|
|
|||
Чк |
|
^ ' |
|
|
|
iZi =0,45; |
|
|
|
||
Цд=0 ,36; |
|
|
|
||
де =0,175 |
кг/л . с.-ч . |
|
|||
271
Будем постепенно |
увеличивать давление наддува, сохра |
||||||
няя оi=const |
путем |
пропорционального |
f Kt< |
увеличения |
|||
подачи топлива |
(40,,15'). |
|
|
|
|
||
В целях упрощения анализа сделаем следующие допущения. |
|||||||
Условимся, |
что |
ipa= const ,iiH=const , NTp=const |
,%.=const. |
||||
Предположим также, что, благодаря |
холодильнику |
воздуха, |
|||||
температурах и о л |
воздухаd w u a j л перед цилиндрамип я п е ш Т*ц=const |
\(напримерn t u i |
|||||
300°К). Подставив в формулу ( 1 6 |
2 |
) ^ = |
получим |
||||
|
Ne ~ |
|
|
|
|
(165) |
|
|
|
|
|
|
|
||
где
В- величина, которой обозначены все постоянные,
входящие в формулу. |
|
|
||
Очевидно, |
что |
при |
принятых допущениях индикаторная |
|
мощность |
|
|
= U Р*ц |
|
|
|
|
|
|
на графике (рис. 77,а) |
изобразится в виде прямой. |
|||
Мощность, потребляемая компрессором, |
|
|||
|
и |
= Ge |
Ь ад |
(1бб) |
|
* |
|
|
|
с увеличением |
давления |
наддува р* = |
будет возрастать |
|
как вследствие увеличения адиабатной работы сжатия в ком прессоре
|
|
|
|
|
X-i |
|
|
I'M |
x - i R L |
к* - Г |
- « ] |
(167) |
|||
|
|||||||
так и благодаря увеличению секундного расхода воздуха |
|||||||
Св |
—\ |
пм z |
к |
• |
iOv |
'ZxV’a |
(168) |
|
|
|
|
R ■ |
|
|
|
или |
|
|
^6 = ^ |
ч |
|
||
|
|
|
|
||||
где через |
Е |
обозначены |
все |
постоянные величины, |
входящие |
||
272
в равенство |
(168). |
Nл.с. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Предполагается, |
что |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
13Ш5 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
к. п. д. компрессора |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
riK *0,7 |
остается по |
|
|
|
|
|
у/ |
1 |
|
|||||||
11 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
стоянным. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
г / > |
1 |
|
||||
|
Суммарная мощ |
|
10 |
|
|
|
|
|
f f |
1 |
|
|||||
|
|
9 |
|
|
|
|
|
J___ |
|
|||||||
ность механических |
по |
|
|
|
|
/ |
'' |
1 |
|
|||||||
8 |
|
| j |
|
|
|
1_ |
|
|||||||||
терь |
|
|
|
|
|
|
|
п |
7 |
|
1 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
|
|||||
Л(*.= |
|
|
|
|
(169) |
|
|
/) |
|
|
1 |
|
||||
|
|
|
|
6 |
|
|
О1 |
|
|
1 |
|
|||||
будет |
увеличиваться |
с |
5 |
|
|
|
ыжл(_ |
|
|
|||||||
4 |
|
|
f |
"е |
|
|
4 _ |
|
||||||||
ростом |
рки |
за |
счет |
|
|
// |
|
|
|
1 |
|
|||||
|
3 |
— |
'"гр |
|
|
1 |
|
|||||||||
второго |
члена |
равенст |
|
|
|
1 |
|
|||||||||
2 |
/ |
|
|
|
|
|
| |
|
||||||||
ва |
(169) |
и |
изобразится |
|
J k |
|
|
|
1 |
|
||||||
1 |
|
|
|
|
I |
|
||||||||||
в |
ви де |
параболической |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
||||||
0 |
1 2 3 |
4 5 6 |
7 |
! |
|
|
||||||||||
кривой |
(Рйс. |
77,а). |
|
9 К Р |
||||||||||||
|
|
|||||||||||||||
|
Тогда |
эффективная |
Нел.с. |
|
|
|
|
|
1 |
кц |
||||||
мощность двигателя мо- |
2000 |
|
I |
|
|
|
|
1 |
|
|||||||
|
1 |
|
|
|
|
г~ |
|
|||||||||
кет |
быть представлена |
1500 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|||||||
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|||||||||
в виде |
разности |
индика- |
1000 |
|
т4 |
|
|
|
1 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
торной мощности и мои- |
500 |
|
4 _ |
р - к |
|
|
|
1 |
|
|||||||
|
|
|
|
1 |
|
|||||||||||
ности механических по- |
0 |
! |
4 |
'Ч |
г < |
Юркч |
||||||||||
терь |
|
|
|
|
|
|
|
Ч S |
||||||||
|
Не |
|
|
|
|
|
х е |
1 |
|
г |
|
1“ |
Чм |
|||
|
|
|
М. |
|
0,8 |
ч |
|
|
||||||||
|
На рис. |
|
|
\ |
т ~ |
|
|
1 |
0,7 |
|||||||
|
77,6 пока |
0,7 |
1— |
|
|
|
|
1 |
0,6 |
|||||||
зано изменение |
эффектив |
0,6 |
ч |
1 |
с h |
|
|
1 |
0,5 |
|||||||
|
ч \ |
|
|
1 |
||||||||||||
ной мощности |
в функции |
0,5 |
|
|
|
|
|
|
1 |
0,4 |
||||||
от |
pv4 . |
В данном при |
М |
|
V |
•*Ч /■Чм |
1 |
0,3 |
||||||||
|
"Г |
1 |
||||||||||||||
мере максимум Ne дости |
0,3 |
|
1 |
|
ч ч |
1 |
0,2 |
|||||||||
гается |
при |
Ркц-4,3 |
кг/см2. |
(U |
|
1 |
_ Ар |
1 |
0,1 |
|||||||
* |
1 |
1— |
||||||||||||||
С |
дальнейшим |
|
воз |
|
0,1 |
|
|
|
г |
|
о |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
растанием |
|
Р*ц меха |
|
2 3 H S 6 T 6 9 t B Pj'хц |
||||||||||||
|
|
Рис. 77. Изменение мощно |
||||||||||||||
нические |
потери |
увели |
|
|||||||||||||
чивается |
быстрее инди |
стей: Nj,, НТр , IV* |
, N« |
; tiM и Яв |
||||||||||||
от давления наддува |
дизеля с ме |
|||||||||||||||
каторной мощности, Ne |
ханическим |
наддувом |
(р хн ). |
|
||||||||||||
273
убывает и при ркц * Ю кГ/см2 Ni=NM и Ve mO, т .е .
вся индикаторная мощность расходуется на преодоление тре ния и привод компрессора.
При увеличении эффективной мощности без учета эконо мичности двигателя возникает предельное значение paf* , при котором достигается максимум Ne . Величина значения
р^ |
зависит от конструктивных особенностей |
двигателя, со- |
вериенства рабочих процессов в его элементах |
и составляет |
|
3-6 |
кг/см2. |
|
Однако нецелесообразность применения высокого наддува с помощью механически приводимого компрессора станет оче
видной, если |
проследить |
за изменением |
ц м |
и удельного |
|
эффективного расхода топлива (рис. 77,в). |
|
||||
С ростом |
рмц величина |
‘Ч/и,-~ф~ |
быстро уменьиает- |
||
ся>Че=111^м. |
вследствие |
этого |
также убывает, a qre=-^ ^ 3 ■ |
||
возрастает. |
В настоящее |
время механический |
наддув сохра |
||
нился только на двигателях старых конструкций с умеренным наддувом (до I , 3*1,60) кг/см .
Использование энергии отходящих газов в турбинах позво ляет в значительной мере компенсировать затраты на привод
компрессора, а |
иногда даже получить |
избыточную мощность, |
||||||
отдаваемую |
на |
вал |
двигателя. |
Вследствие |
этого |
|||
эффективная |
мощность |
турбопориневого |
двигателя |
|||||
с |
увеличением |
|
|
возрастает |
много |
|
быстрее, |
|
чек мощность двигателя с механическим наддувом. |
Теорети |
|||||||
чески (при |
сделанных |
выще допущениях) максимум кривой |
||||||
|
отсутствует. При этом экономичность двигателя может |
|||||||
не |
тольхо сохранять |
свое |
значение, но и улучшаться. |
|||||
В действительности существуют ограничения в повыиении мощности двигателя даже при газотурбинном наддуве. Но эти
ограничения не носят |
принципиального |
характера, |
так как |
|||
связаны с различного |
рода |
трудностями |
конструктивного и |
|||
технологического порядка. |
Важными и пока |
не ревенными |
проб |
|||
лемами, сдерживающими внедрение высокого |
наддува |
( |
> |
|||
> 3 кГ/см*), являются: |
|
|
|
|
|
|
27*
-обеспечение работоспособности цилиндрово-порине- вой группы при условии, когда в ток же объеме цилиндра сжигается больнее количество топлива, а теплоотвод от на гретых деталей затруднен;
-обеспечение подачи и сжигания увеличенной порции
топлива |
за ограниченное время; |
- |
обеспечение механической прочности и работоспособ |
ности деталей движения и подиипников при увеличенных максимальных давлениях сгорания и т.д .
На рис. 78 изображены принципиальные схемы газотурбин ного наддува, которые наили наибольиее распространение в корабельных дизелях. Так как мощность турбины в ряде слу
чаев составляет 25* и более |
относительно |
эффективной мощ |
||
ности на валу дизеля, |
такие |
двигатели все |
чаще |
именуется |
т у р б о п о р и в е |
в к м и. |
|
|
|
Свободный газотурбинный |
наддув (рис. |
78,а ) |
намел пре |
|
имущественное распространение в отечественных четырехтакт-
ных дизелях размерности |
также |
во многих двигателях иностранного исполнения. |
|
Б двигателях этого |
типа между турбокомпрессором и пори |
невой маминой существует исключительно газовая связь, мощ ность турбины и компрессора на всех режимах одинакова
Мт = |
и механический к. |
п. д. преобразуется |
к виду |
|
|
|
( и г 7) |
где |
|
|
|
|
|
|
(170) |
(см. |
формулу (95 ), § |
20). |
|
Подключенные турбокомпрессоры (рис. 78,б) устанавли |
|||
ваются как на четырехтактных (М-503, М50 ФТК), |
так и на |
||
двухтактных (типа 61 и д р .) двигателях. Подклочение турбо компрессоров преследует многие цели, важнейинмн из которых являются:
275
- компенсация недостающей мощности турбины для при вода компрессора, если Nx > Nr ;
- передача избыточной мощности турбины на вал дизе
ля, если |
fVT . |
|
|
Мощность механических потерь для этих двигателей за- |
|||
пииется |
в иной форме |
|
|
|
# * = К + |
NX-WT , |
(l7 l) |
причем в двухтактных дизелях |
NHXS 0 . |
|
|
в_______ Рг-5
Рис. 78. Схемы газотурбинного наддува дизелей.
Двухступенчатый (комбинированный) наддув (рис. 78,в) нашел применение исключительно на двухтактных дизелях
(«О-Д, Ш * 5 , |
9Д100). |
В первой ступени устанавливается свободный турбоком |
|
прессор,т.е. |
N«j * NT .В о второй - компрессор, подклю |
276
ченный к коленчатому валу. Холодильник воздуха размещен либо после свободного турбокомпрессора (40Д, И Д -45), ли
бо после компрессора второй ступени (9Д-100). |
|
Механический к. п. д. подсчитывается по формуле |
(II2 1), |
где |
|
Им > « т , + К » 7 ИЖ[ . |
( 1 7 2 ) |
В компрессоре второй ступени осуществляется дополни тельное сжатие воздуха до тех значений, которые не могут быть получены в свободном турбокомпрессоре первой ступени вследствие недостаточной мощности газовой турбины.
Преимущества и недостатки различных схем газотурбин ного наддува рассматриваются отдельно [5, б ].
ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ
(Повышение мощности ДВС)
1. От каких двух основных факторов зависит мощность выполненного двигателя? Стр. 261, формула ( Ш ) .
2.Сделайте вывод формулы мощности двигателя в общем виде. Стр. 261, формула (162) .
3.Поясните возможность и целесообразность повыщения
мощности дизеля за счет увеличения теплотворной способно сти топлива. Стр. 262 .
4.Оцените возможность и целесообразность повышения мощности дизеля за счет конструктивных факторов.
Стр. 263 .
5.Сделайте анализ возможностей увеличения мощности дизеля за счет совершенствования рабочего процесса поршне вого двигателя, а также за счет форсировки двигателя пу тем увеличения цикловой подачи топлива и уменьшения коэф фициента избытка воздуха. Стр. 266-268 .
6.В чем сущность увеличения мощности двигателя за
счет повышения |
? Стр. 269 . |
277
7. Для чего делается наддув дизеля? Стр. 269,270 . 8. Для чего делается охлаждение наддувочного воздуха?
Стр. 259,270 .
9.Каковы основные способы наддува дизеля? Стр. 271 #
10.Каковы основные схемы газотурбинного наддува ди зелей? Стр. 275-277, рис. 78 .
11.Чем ограничивается увеличение мощности дизеля при
наддуве от механически приводимого компрессора?
Стр. 273-274 .
12.Каковы рациональные пределы повышения мощности ди зеля путем его механического наддува? Пояснить рис. 74,6
13.За счет каких мероприятий может быть существенно увеличен механический к. п. д. дизеля? Стр. 274 .
14.Напишите уравнение механического к. п. д. для дви гателей со свободным, подключенным и двухступенчатым над дувом? Стр. 275-277, формулы (lI2),(l70j,(l7l),(l72).
15.Каковы основные пути дальнейшего увеличения агре гатной мощности дизеля?
Ли т е р а т у р а
1.Брилинг Н. Р ., Вихтер М. М., Гутерман И. И. Быст роходные дизели. Машгиз, 1951.
2.Брук М. А., Егоров В. В., Козлов П. И., Рихтер А.А., Хрустовский П. Л. Двигатели внутреннего сгорания. Оборон-
гиз, М., 1959.
3.Ваниейдт В. А. Судовые двигатели внутреннего сго рания. Судпромгиз, Л., 1962.
4.Вибе И. И. Новое о рабочем цикле двигателей. Маш-
гиз, 1962.
5.Васильев-Южин Р. М. Основы теории газотурбинного наддува дизелей. ВМФ, 1962.
6.Васильев-Южин Р. М. Характеристики корабельных дви гателей внутреннего сгорания. Лекции по теории рабочего процесса ЛВС. ВМФ, 1963.
7.Васильев-Южин Р. М. Работа двигателей при повышен ном разрежении на всасывании и противодавлении на выпуске.
Лекции по теории рабочего процесса ЛВС. |
ВМФ, 1963. |
|
8 . Глаголев Н. М., Водолажченко В. |
В ., Куриц А. А., |
|
Бартов Е. Т. Тепловозные двигатели |
внутреннего сгорания и |
|
газовые турбины. Изд. "Транспорт", |
М., |
1965. |
9.Глаголев Н. М. Рабочие процессы двигателей внутрен него сгорания. Маигиз, 1950.
10.Дизели. Справочник. Изд. "Маииностроение", М.-Л.,
1964.
11.Двухтактные комбинированные пориневые двигатели.
Сборник статей под ред. |
Орлина А. С. |
и Струнге Б. Н. |
|
Изд. "Маииностроение", М., 1966. |
|
||
12. |
Дьяченко Н. |
X., Костин А. |
К., Мельников Г. В., |
Петров В. М., Харитонов Б. А. Теория двигателей внутрен него сгорания. Изд. "Маииностроение”, М., 1965.
279