книги из ГПНТБ / Никитин А.О. Теория танка учебник
.pdfТяговые качества ГТД оцениваются по скоростной характери стике, которая представляет собой зависимость развиваемой дви гателем мощности Л/т. м и крутящего момента Мт. м на валу тур бины мощности от оборотов пт.м этого вала при постоянном часо вом расходе топлива пли при постоянной максимальной темпера туре цикла iz.
Топли 6с
На рис. 10 приведены скоростные характеристики автомобиль ного двухвального газотурбинного двигателя, полученные в резуль тате испытаний при пк0мпр = const, из которых видно, что крутящий мо-мент М т. м на валу заторможенной силовой турбины более чем в два раза больше момента на нем при максимальной мощности, причем уменьшение момента с увеличением оборотов происходит почти по линейному закону. Поскольку предельное (максимальное)
20
число оборотов силовой турбины может превышать число оборо тов режима максимальной мощности на 25—30%, диапазон тяговых возможностей ГТД надо оценивать отношением крутящего момен та при заторможенной турбине к моменту турбины при максималь ных оборотах. Это отношение, или полный диапазон изменения мо мента на валу силовой турбины, по выполненным конструкциям ГТД равно 3 -Г 3,5.
На этом же рисунке приведена также частичная характеристи ка ГТД, снятая при меньшем числе оборотов турбины компрессора и, следовательно, при меньшей подаче топлива.
Диапазон изменения момента «рабочей» зоны ГТД следует оп ределять по заданным значениям нижних пределов изменения мощ ности N T, м, развиваемой двигателем в условиях эксплуатации. При этом, очевидно, не обязательно принимать одинаковыми значения нижнего предела мощности для левой (см. рис. 10) и правой частей скоростной характеристики. Если допустимое снижение мощности в левой части характеристики может ограничиваться по соображе ниям ухудшения экономичности работы двигателя, то в правой ча сти это ограничение можег производиться как по соображениям
21
экономичности, так и по причине чрезмерного увеличения оборотов вала турбиньи, которые уже при максимальной мощности достигают весьма больших значений.
Для примера определим диапазон изменения момента «рабо чей» зоны ГТД по его скоростной характеристике, приведенной на рис. 10, причем примем, что по условиям работы мощность двига теля не должна быть ниже 0,85 ЛДМшах.
Проводим через точку 0,85 Nr, мmax на оси ординат горизонталь
до ее пересечений с кривой мощности и опускаем перпендикуляры из точек пересечений на кривую момента. Новые точки пересечений проектируем на ось ординат, после чего получаем значение так на зываемого силового рабочего диапазона Г'ГД, который в данном случае будет равен
К— — ~ 2 3
Значительная величина диапазона изменения момента ГТД ха рактеризует высокие тяговые качества данного двигателя, позво ляющие, приДТрочих равных условиях, по сравнению с поршневым двигателем внутреннего сгорания уменьшить число передач в трансмиссии, что имеет весьма существенное значение для танков. Это дает возможность уменьшить габариты и вес трансмиссии, со кратить число переключений передач, т. е. упростить и облегчить управление движением машины. Газотурбинный двигатель ком пактнее поршневого и позволяет более оптимально использовать внутренний объем моторного отделения, так как отпадает необхо димость в специальной системе охлаждения двигателя, занимаю щей в танке обычно много места. Требования по очистке воздуха в ГТД значительно ниже, предъявляемых к поршневым двигателям. Кроме того, у ГТД нет деталей, совершающих прямолинейные воз вратно-поступательные движения, а это позволяет увеличить на дежность работы двигателя, так как отсутствуют инерционные си лы, неизбежные при изменении направления движения. Таким об разом, ГТД обладают лучшей уравновешенностью по сравнению с поршневыми двигателями. Они могут работать на различных топ ливах и обладают хорошими пусковыми качествами.
Наличие лишь газодинамической связи между турбиной ком прессора и силовой турбиной, кинематически связанной с ведущи ми колесами, исключает остановку двигателя вследствие увеличе ния сопротивления движению. Следует также отметить, что такая связь хорошо предохраняет трансмиссию от ударных динамических нагрузок. Основными недостатками известных конструкций газо турбинных двигателей применительно к условиям их работы в тан ке являются: большие удельные расходы топлива; сложность осу ществления торможения машины двигателем; пониженная при емистость танка, особенно при трогании с места.
Быстрое развитие газотурбинных двигателей, наблюдаемое за последнее время, обусловливает реальные возможности значитель-
22
кого улучшения их экономичности, главным образом за счет при менения высокоэффективных теплообменников и повышения темпе
ратуры цикла tr.
* *
*
В настоящее время на танках, состоящих иа вооружении во всех странах мира, устанавливаются только поршневые двигатели внут реннего сгорания. Поэтому в дальнейшем тяговые расчеты, выпол няемые с учетом характеристик двигателя, будут излагаться при менительно к этому типу двигателей, хотя методика самих расче тов носит общий характер и может быть использована при тяговых расчетах с другими типами первичных двигателей.
Глава 2
ВНУТРЕННИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ ТАНКА И ЕГО К. П. Д.
Эффективная мощность, развиваемая двигателем при движении танка, расходуется на преодоление внутренних и внешних сопро тивлений. Расход мощности двигателя на преодоление внутренних сопротивлений в агрегатах и механизмах ганка складывается из затрат мощности в моторной установке и затрат мощности на пре одоление сопротивлений в механизмах и агрегатах трансмиссии и ходовой части.
Внутренние сопротивления зависят от многих факторов и коли чественно, как правило, оцениваются механическим коэффициентом полезного действия.
Рассмотрим внутренние сопротивления движению танка в той последовательности, в которой осуществляется передача мощности, т. е. от двигателя к гусеничному движителю.
§ 1. ЗАТРАТЫ МОЩНОСТИ В МОТОРНОЙ УСТАНОВКЕ
Получаемые в результате испытаний характеристики двигателей внутреннего сгорания снимаются на стендах в несколько иных ус ловиях работы по сравнению с теми, в которых двигатели работа ют в танках. Если при стендовых испытаниях характеристики дви гателей снимают без воздухоочистителей, глушителей и вентиля торов системы охлаждения, то условия работы двигателей в танках требуют наличия глушителей шума отработавших газов, воздухо очистителей с высоким коэффициентом очистки воздуха и мощных вентиляторов, обеспечивающих надежное, охлаждение двигателя и агрегатов трансмиссии танка при работе на различных режимах в разнообразных внешних условиях изменения температуры и дав ления.
Двигатели воздушного охлаждения хотя и испытываются на стендах с установленными вентиляторами, однако затрата мощно сти, на их привод в этом случае будет иной, нежели в танке, по-
24
скольку воздухопритоки и воздухоотводы в целях уменьшения опас ности поражения агрегатов и механизмов, расположенных внутри корпуса, имеют минимальные по расчету проходные сечения, ока зывающие существенное сопротивление проходу воздуха через них. Кроме того, вентиляторы на машине должны также обеспечивать охлаждение воздухом агрегатов трансмиссии танка.
Таким образом, мощность, поступающая от двигателя в транс миссию, при одинаковых числах оборотов и подаче топлива значи тельно отличается от той эффективной мощности по внешней харак теристике, которая получается при испытаниях двигателей на стен дах и указывается в заводских паспортных данных. Поэтому в тя говых расчетах необходимо учитывать указанные затраты мощно сти в моторной установке танка.
1. Затраты мощности на привод вентиляторов системы охлаждения
Применяемые в моторных установках танков приводные венти ляторы центробежного и осевого типа имеют жесткую кинематиче скую связь с коленчатым валом двигателя, а регулирание их про изводительности осуществляется дросселированием воздуха при помощи жалюзи, которые устанавливаются как в воздухопритоках, так и в воздухоотводах.
Такой способ регулирования производительности вентиляторов неэкономичен в энергетическом отношении.
Рассмотрим такой случай, когда характеристика вентилятора при оборотах пх = const и характеристика сети до дросселирования (рис. 11), построенные в координатах Q — Я (где Я — напор в мм вод. ст., a Q — производительность вентилятора в м3/свк), будут пересекаться в точке 1. Эта точка определит в данном случае расход воздуха Qi через систему охлаждения.
25
Однако часто может оказаться, что при работе двигателя с та кими же оборотами, но при меньшей внешней нагрузке либо при более низкой температуре окружающего воздуха, или, наконец, при наличии обоих условий одновременно, потребуется в два раза мень ший расход воздуха. При рассматриваемом способе регулирования производительности вентилятора уменьшение расхода воздуха до стигается путем введения дополнительного сопротивления жалюзи.
В этом случае будем иметь как бы |
новую характеристику сети, |
|
включающую сопротивление жалюзи, |
а точка 2 —пересечение но |
|
вой характеристики |
сети с характеристикой вентилятора — опреде |
|
лит расход воздуха |
Q2 = 0,5 Q Несмотря на то, что требуемый |
|
расход воздуха уменьшится в два раза, мощность, затрачиваемая на привод вентилятора, как показывают теоретические исследова ния и результаты испытаний, при этом снизится незначительно.
Последнее положение наглядно подтверждается приведенными на рис. 12 результатами испытаний по определению мощности, за трачиваемой на привод установленного в танке центробежного вен тилятора в зависимости от его оборотов. Эти результаты получены для предельных случаев — при полностью открытых воздухопрнтоках и воздухоотводах (кривая 1), т. е. при максимальной произво дительности вентилятора, и при полном их перекрытии (кривая 2).
Очевидно, что во всех остальные случаях регулированияпроиз водительности вентилятора посредством дросселирования воздуха при помощи жалюзи значения мощности, затрачиваемой на привод вентилятора, будут находиться между кривыми 1 и 2.
26
Совершенно иные соотношения между затратами мощности на привод вентилятора и расходом воздуха, проходящего через систе му охлаждения, можно получить при регулировании производи тельности системы путем изменения оборотов вентилятора незави симо от оборотов двигателя.
На рис. 13 приведены характеристики вентилятора, построен ные при постоянных оборотах щ и п2, а также характеристика се ти, причем, как и в первом случае, Q2 — 0,5 Q1.
Рис. 13
Из теории центробежных вентиляторов известно, что их произ водительность пропорциональна оборотам, т. е. для рассматривае мого случая (при Q2 = 0,5 Qi) п2 = 0,5 щ.
В то же время мощность, затрачиваемая на вращение вентиля тора, в зависимости от оборотов изменяется по такому соотноше нию:
Wb, ' U a ) '
Таким образом, при уменьшении потребного для системы охлаж дения расхода воздуха в 2 раза затраты мощности на привод вен тилятора в этом случае снизятся почти в 8 раз. Следовательно, ре гулирование производительности вентилятора путем изменения его оборотов независимо от оборотов двигателя является более совер шенным в энергетическом отношении.
Но несмотря на повышенный расход мощности при дроссельном способе регулирования производительности вентилятора системы охлаждения, этот способ ввиду простоты! осуществления находит широкое применение в танках.
Чем больше общее сопротивление воздушного тракта (включая в него и сопротивление радиатора), тем большую мощность, при прочих равных условиях, нужно затратить на привод вентилятора
27
-с целью обеспечения необходимого расхода воздуха в системе ох лаждения.
Осевые вентиляторы требуют меньшего расхода мощности на их привод, нежели центробежные, но они .могут обеспечивать требуе мую производительность при меньших сопротивлениях воздушного тракта.
В тяговых расчетах затраты мощности на привод вентиляторов систем охлаждения двигателей учитывают исходя из их значений при оборотах двигателя nN и оценивают в долях или процентах
0Т Wem„-
Для большого числа выполненных конструкций танков с двига телями водяного охлаждения затраты мощности на привод венти ляторов при оборотах двигателя nN находятся в пределах
Л^вдг = (0,06 -т- 0,15) 7V(
е max'
Мощность на привод вентиляторов при других оборотах двига теля рассчитывают по формуле
|
|
(3) |
Зная Л'в |
и /1л, |
и задаваясь различными значениями чисел |
оборотов п двигателя, |
можно определить зависимость NB = f (п), |
|
которая протекает по закону кубической парабольи. Напомним, что при тяговых расчетах эту зависимость строят при полностью откры тых жалюзи, т. е. для максимально возможных затрат мощности на привод вентилятора.
2. Затраты мощности на сопротивление в воздухоочистителях
Работа танковых двигателей протекает в условиях большой за пыленности наружного воздуха, вызывающей необходимость уста новки воздухоочистителей, обеспечивающих высокий коэффициент очистки воздуха, поступающего для питания двигателей.
При отсутствии воздухоочистителей в двигатели поступало бы недопустимое, с точки зрения износов ответственных деталей, ко личество пыли. В настоящее время считается, что коэффициент очи стки воздуха, даже при относительно малой его запыленности, дол жен быть не ниже 99,0 4-99,5%.
•Установка воздухоочистителей с высоким коэффициентом очи стки приводит к’ значительным сопротивлениям на всасывании и, как следствие, к ухудшению наполнения цилиндров воздухом.
Это в свою очередь ухудшает процесс сгорания топлива и вызы вает снижение эффективной мощности, наиболее сильно проявляю щееся у карбюраторных двигателей, нежели у дизелей.
По мере загрязнения воздухоочистителя в процессе эксплуата ции коэффициент наполнения цилиндров и коэффициент очистки воздуха уменьшаются, сопротивление на всасывании возрастает, а потери мощности двигателя увеличиваются.
Последнее иллюстрируется приведенным на рис. 14 графиком,, показывающим зависимость потерь мощности двигателя типа В-2 от разрежения на трассе всасывания. Данные этого графика полу чены экспериментальным путем при работе по внешней характе ристике с п = 2000 об/мин.
В целях сокращения непроизводительных затрат мощности и обеспечения нормальной работы двигателя сопротивления воздухо очистителей следует ограничивать величиной разрежения на трас се всасывания:
—для дизелей — 1000-^-1200 мм вод. ст.;
—для карбюраторных двигателей — до 300 мм вод. ст.
Опыт эксплуатации и проведенньне исследования показывают, что при таких значениях сопротивлений на всасывании существен ного снижения мощности двигателей не наблюдается.
Как уже отмечалось выше, сопротивление воздухоочистителей увеличивается одновременно с их загрязнением, что в свою очередь обусловливается запыленностью наружного воздуха и продолжи тельностью работы двигателя после очистки воздухоочистителей. Поэтому потери мощности, вызванные установкой воздухоочисти телей, целесообразно оценивать исходя из средних значений сопро тивления воздухоочистителей между периодами их обслуживания.