Литература по Механике и для Механиков / Литература / Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (2)

§ 5*6. Схемы систем наддува

Наддув четырехтактных двигателей. Меньшие (по сравнению с двухтактным двигателем) удельные расходы воздуха, более высокая температура выпускных газов и наличие насосных ходов поршня в четырехтактном двигателе облегчают решение задачи балансирования мощностей турбин и приводимых ими наддувочных агрегатов. Этим объясняется, что газотурбинный наддув сначала внедрялся в 4-такт- ных двигателях и лишь по прошествии нескольких лет начал внедрять­ ся в 2-тактных. Сегодня в главных среднеоборотных двигателях пред­ почтение отдается наддуву при постоянном давлении газов перед тур­ биной, так как эта схема наддува конструктивно проще, а следователь­ но, и дешевле. Кроме того, достигается более высокий КПД газотурбокомпрессора. В двигателях, работающих в условиях быстроменяющихся нагрузок (дизель-генераторы), предпочтение в силу лучшей приемис­ тости отдается импульсной схеме наддува. В некоторых четырехтакт­ ных двигателях последних моделей, имеющих импульсную систему наддува, в выпускном тракте устанавливают преобразователи импуль­ сов (рис. 5.5), способствующие эффективному преобразованию кине­ тической энергии газов (импульсной составляющей) в энергию посто­ янного потока. В результате такого преобразования давление перед га­ зовой турбиной выравнивается и последняя практически работает в режиме р т= const, что способствует повышению ее КПД, а использова­ ние энергии импульса увеличивает ее мощность и, что особенно важ­ но, позволяет обеспечить баланс мощностей турбины и компрессора на малых нагрузках, начиная с 20%-ной нагрузки до номинальной.

Рис. 5.5. Газотурбинный наддув при:

а) постоянном давлении; б) импульсный; в) импульсный с преобразователем импуль­ сов: с - сопла, d —смесительная камера, е - диффузор,/- ресивер, g - турбина

122 Судовые двигатели внутреннего сгорания

Для улучшения очистки цилиндра от продуктов сгорания в четы­ рехтактном двигателе применяют продувку камеры сгорания путем одновременного открытия на протяжении 90-150° п.к.в. впускных и выпускных клапанов. Для увеличения эффективности процессов про­ дувки камеры сгорания и наддува двигателя при импульсном наддуве применяют разделение выпускного трубопровода на отдельные ветви, чтобы избежать нарушения продувки отдельных цилиндров и эффек­ тивнее использовать энергию выпускных импульсов. Выпуски из ци­ линдров группируют таким образом, чтобы получить в отдельных вет­ вях выпускного коллектора наибольший сдвиг по времени между вол­ нами давления, возникающими от выпусков объединяемых цилинд­ ров. Например, в шестицилиндровом 4-тактном двигателе в одну из ветвей коллектора направляют выпуск из 1-го, 2-го и 3-го цилиндров, а в другую - из 4-го, 5-го и 6-го цилиндров; порядок вспышек при этом 1—5—3—6—2—4. При угле заклинивания колен А(р= 120° сдвиг фаз между волнами давлений будет равен 240°, что полностью обеспечивает эф­ фективную продувку за это время. Естественно, что при другом числе цилиндров, ином порядке вспышек и расположения колен требуется другая группировка цилиндров и иное число выпускных коллекторов.

Наддув двухтактных двигателей. Проблема снабжения двухтак­ тного двигателя воздухом в необходимом количестве и с заданным давлением наддува решается значительно сложнее. В силу затрудне­ ний в обеспечении баланса мощности (равенства /V и N на валу ком­ прессора) в двигателях ранних моделей с контурными схемами газо­ обмена («МАН», «Зульцер», «Фиат») нельзя было осуществить наддув только благодаря применению ГТК и приходилось прибегать к ком­ бинированным системам наддува с использованием подпоршневых полостей. Причины этого следующие:

►из-за отсутствия хода выталкивания для обеспечения качествен­ ной продувки и удовлетворительного наполнения цилиндров воздухом среднее давление газа перед турбиной при контурных схемах газообме­ на должно быть меньше давления воздуха в ресивере р т= (0,80-0,88)ps;

►температура выпускных газов существенно ниже; ►для обеспечения качественного газообмена необходим большой

расход воздуха на продувку, поэтому наддувочный агрегат (компрес­ сор) должен иметь большую подачу.

Исключение составляет дизель с прямоточно-клапанной схемой газообмена, в котором наличие клапана позволяет осуществлять более ранний выпуск и вследствие этого направлять в турбину газы с боль­ шим давлением и температурой.

невозвратные клапаны 7 предотвращают перетекание воздуха из вто­ рой секции ресивера 5 в первую и тем самым обеспечивают возмож­ ность работы электроприводного компрессора 6 последовательно с тур­ бокомпрессором 3 ( 1 - цилиндр; 4 - воздухоохладитель).

§ 5.7* Влияние эксплуатационных

факторов на работу системы наддува

В двигателе с турбонаддувом влияние эксплуатационных факто­ ров на количество поступающего в цилиндры воздуха Gs и на процес­ сы газообмена и сгорания в силу сложности систем воздухоснабжения требует особого внимания. Если в двигателе без наддува определяю­ щим фактором качества его работы является состояние впускного и выпускного трактов, в том числе продувочных и выпускных окон (их сопротивление), то в двигателе с наддувом к основным причинам не­ удовлетворительной работы добавляется состояние компрессора, воз­

124 Судовые двигатели внутреннего сгорания

духоохладителя, газовой турбины, невозвратных клапанов подпорш­ невых полостей и пр. При эксплуатации состояние перечисленных эле­ ментов в основном меняется из-за их загрязнения отложениями масла, продуктами неполного сгорания и т. п.

Поскольку от работы системы наддува зависит снабжение двига­ теля воздухом, а последнее определяет качество процессов газообме­ на, индикаторного процесса и теплонапряженное состояние ЦПГ, то изучение взаимосвязей работы агрегатов наддува и двигателя, причин, вызывающих нарушение их рабочего состояния, имеет важное значе­ ние для нахождения технически правильных решений.

Изменение условий работы системы наддува двигателя можно проследить по характеристикам компрессора и расходной (гидравли­ ческой) характеристике двигателя (рис. 5.9).

Гидравлическая характеристика двигателя представляет собой зависимость относительного давления перед впускными органами (про­ дувочными окнами, впускными клапанами) p jp 0 от расхода воздуха через двигатель.^ (кривая 1). Обычно вместо Gs принимают его отно­ сительную величину = G'JG (где Gsgотносится к исходным норми­ рованным условиям (Т0 = 20°С и р 0 = 760 мм рт. ст.), a G's - к новым, изменившимся).

Характеристика компрессора складывается из линии рабочих режимов компрессора, представляющей собой зависимость степени повышения давления воздуха в компрессоре пк=p jp gот его подачи G (кривая 1) для различных постоянных значений частоты вращения ком­ прессора и семейства кривых равных адиабатных КПД (Т}адк - const).

Адиабатный КПД компрессора характеризует степень совершен­ ства осуществления сжатия воздуха в компрессоре и представляет со­ бой отношение адиабатной работы сжатия Lad к (работы, которую при­ шлось бы затратить, если бы процесс осуществлялся без потерь, под­ чиняясь адиабатному закону) к действительно затрачиваемой работе на привод компрессора Ьк. Таким образом, rjadK = LadJLK.

При газотурбинном наддуве с одним свободным ГТК Gk = Gsи линия рабочих режимов совпадает с расходной характеристикой дви­ гателя (кривая 1). Если на двигателе установлены два турбокомпрессо­ ра одинаковой подачи, т.е. GkI = Gk2 и Gk1 + Gk2 = Gs, то линия рабочих режимов для каждого ГТК будет общей и располагаться слева от рас­ ходной характеристики двигателя так, что она разделит горизонталь­ ные отрезки от оси ординат до кривой 1 на равные части.

Помпаж характеризуется пульсацией давлений воздуха из-за сры­ вов его потока, появлением в работе компрессора циклически меняю­

Для устранения отмеченных явлений рекомендуется промывать компрессор водой, подаваемой в небольших количествах на всасыва­ ние во время его работы. Вода разбивает масляные отложения, вымы­ вает их с рабочих поверхностей, а воздух уносит в цилиндры, где они сгорают. При больших загрязнениях рекомендуется применять хими­ ческие препараты.

Загрязнение воздухоохладителя происходит маслянистыми отло­ жениями на поверхности трубок со стороны воздуха, солей и шлама - со стороны охлаждающей забортной воды. Как следствие, растет со­ противление движению воздуха, перепад давлений Aps на холодильни­ ке увеличивается (известны случаи, когда Aps увеличивался с 0,001— 0,002 МПа до 0,02 МДа) и соответственно снижался коэффициент теплопередачи. При снижении охлаждающей способности холодиль­ ника перепад температур воздуха (Т -Т ) уменьшается, температура воздуха Т в ресивере повышается. Последнее обстоятельство отрица­ тельно сказывается на массовом заряде воздуха в цилиндрах Gg. Доста­ точно сказать, что повышение температуры наддувочного воздуха на 10° вызывает сокращение Ge в среднем на 2-3 %.

Практическая рекомендация. После чистки компрессора обяза­ тельно осуществлять чистку водой или моющим раствором воздухо­ охладитель, так как в него заносятся маслянистые отложения, смы­ ваемые с колеса компрессора.

Уменьшение проходного сечения газораспределительных ор­ ганов обычно является следствием отложения на них кокса. Гидрав­ лическая характеристика двигателя (см. рис. 5.9) из-за роста сопро­ тивления газораспределительных органов смещается влево, в область меньших расходов воздуха. Сокращение расхода воздуха Gs при нали­ чии у двигателя достаточного резерва по воздуху может и не отразить­ ся на индикаторном процессе, и частота вращения останется неизмен­ ной, но температура газов перед турбиной возрастет. Однако, несмот­ ря на рост температуры Г , уменьшение подачи Gs и связанное с этим сокращение количества поступающего на турбину газа приведут к не­ которому снижению ее частоты вращения. Сокращение подачи комп­ рессора, уменьшение G , казалось бы, должны были привести к паде­ нию давления наддува р к, но рост сопротивления газораспределитель­ ных органов приводит к тому, что давление р кобычно сохраняется на прежнем уровне либо даже несколько увеличивается. В итоге режим работы турбокомпрессора при закоксованных окнах смещается из точ­ ки а в точку с (см. рис. 5.9). Новое положение линии рабочих режимов характеризуется меньшим запасом по помпажу (расстояние от области

неустойчивой работы сокращается) - увеличивается вероятность по­ падания ГТК в помпаж.

Загрязнение проточной части турбины обусловливается отложе­ ниями продуктов неполного сгорания и полимеризации масла и топли­ ва в сопловых каналах и на рабочих лопатках. В результате загрязне­ ния соплового аппарата уменьшается пропускная способность турби­ ны (ее эквивалентное сечение uF j, что вызывает рост давления рл и температуры газа перед турбиной Г . Загрязнение рабочих лопаток, вы­ зывающее изменение геометрии проточной части турбины, отрицатель­ но отражается на ее КПД - г\л снижается, что приводит к снижению частоты вращения ГТК и уменьшению расхода воздуха на двигатель. Гидравлическая характеристика двигателя и соответственно линия ра­ бочих режимов компрессора (кривая 1) смещаются в сторону меньших расходов (см. рис. 5.9), и режим из точки а переходит в точку d с за­ грязненной проточной частью турбины, лежащую на новой характери­ стике 3. Загрязнение турбины, помимо отрицательного воздействия на ее рабочий процесс, приводит также к помпажу, нарушению баланси­ ровки ротора и появлению опасных вибраций.

§ 5.8. Современные пути повышения эффективности использования энергии выхлопных газов

Как уже неоднократно отмечалось, в современных двигателях с высокой степенью наддува при их работе на режимах полной мощности или близких к ней отбираемые из цилиндров газы обладают излишней энергией и поэтому, как уже показывалось в предыдущих разделах, часть выхлопных газов байпасируется, минуя ГТК. С этой целью ис­ пользуются клапаны байпаса, встраиваемые в системы отбора газов.

Излишняя часть газов направляется на выхлоп, минуя ГТК, или на привод дополнительной газовой турбины, соединенной с генерато­ ром электрического тока, или отдающей мощность гребному валу.

Другой вариант использования энергии отработавших в ГТК и байпасируемых выхлопных газов заключается в их направлении в ути­ лизационный котел. Получаемый в котле пар направляется в паровую турбину, отдающую мощность электрическому генератору. Подобная система утилизации тепла дизелей оправдывает себя в установках боль­ ших мощностей и пока применяется в стационарных дизель-электро- станциях.

энергии выхлопных газов в утилизационном паровом котле и энергии

пара в паровой турбине

ГТК

Выхлопные

газы

В о зд у х

Рабочий цилиндр дизеля