Воробьев_Теория судовых двигателей

Применение ГТН в СДВС имеет большие перспективы и преимущества для судов. В дизеле с ГТН имеется газовая связь ДВС и газовой турбиной (ГТ) и компрессором (К). При этом ротор ГТ и колесо компрессора жестко соединены между собой. Мощность ГТ и К равны на всех режимах работы дизеля. Циклическая работа цилиндров с определенным порядком работы накладывает особые требования при проектировании выпускных систем.

Распространены 2 основные схемы:

–схема со свободным ТК, в которой имеется только газовая связь ТК с поршневой частью;

–схема с комбинированной связью агрегатов наддува с поршневой частью, в которой имеются свободные ТК и приводные компрессоры, механически связанные с цилиндрами. В этой схеме применяют двухступенчатое сжатие наддувочного воздуха для МОД на судах.

СДВС имеют следующие схемы наддува:

Схема 1. Имеются свободные ТК, которые работают совместно с поршневыми Д – один ТК на 2, 3 ил 4 цилиндра. После каждого компрессора на воздушном тракте ставят охладитель наддувочного воздуха. Дизель не имеет общего коллектора ОГ. Импульсные ГТ устанавливают вблизи цилиндров для лучшего использования кинетической энергии выпускных газов. Газы от цилиндров к турбине подводятся через отдельные выпускные трубопроводы. Такую систему применяют фирмы B&W, Сторк, Мицубиси.

Схема 2. Дизель имеет комбинированную связь с наддувочным агрегатом. ТК подает воздух через охладитель в ресивер. Последовательно ресиверу подключены компрессоры второй ступени, приводимые от поршневого Д – получается двухступенчатое сжатие. В качестве первой ступени ТК, 2-й – поршневой компрессор или подпоршневая полость каждого цилиндра. При такой схеме наддува на режиме полного хода снабжение воздухом осуществляется от ТК и приводных компрессоров. При пуске и на малом ходу ТК не обеспечивают подачу необходимого количества воздуха, поэтому работу дизеля обеспечивают поршневые компрессоры или подпоршневые полости. Такая система у МАН, Зульцер, Фиат, Гетаверкен.

Схема 3. Дизель имеет только свободные ТК 1-й и 2-й ступени, имеется только газовая связь между ними. К первой ступени с импульсными ГТ подает воздух в промежуточный ресивер воздуха, из которого воздух идет к ТК 2-й ступени, а из него в общий ресивер, сообщенный с цилиндрами. Из ГТ 1-й ступени ОГ идут в промежуточный коллектор газов, а из него к последовательно подключенной ГТ 2-й ступени. Такую систему имеют двигатели фирмы Сторк.

101

Для установления газодинамической связи ГТ и ТК с поршневым двигателем в системе ГТН дизеля (рис. 11.2) рассмотрим схему, изображающую хвостовую часть теоретической совмещенной диаграммы дизеля, газовой турбины центробежного компрессора и охладителя возду-

ха (рис. 11.3).

Рабочий процесс в двигателе с ГТН в т. 1 соответствует поступлению воздуха в центробежный насос из машинного отделения через фильтр с параметрами P0T0. При расчетах принимают Р0 = 101,3 кПа, Т0 = 293 К. В зависимости от степени повышения давления из него выходит с параметрами

Рк = 140–220 кПа, Тк = 340–415 К в 2-тактном двигателе;

Рк = 130–300 кПа и Тк = 325–470 К в – 4-тактном ДВС.

Рис. 11.2. Газодинамическая система «ГТН – дизель»

102

1. Наддув с постоянным давлением газов перед турбиной Рт = const. В этом случае газы из всех цилиндров поступают в выпускной коллектор большего объема, из которого осуществляется подвод газов к турбине (рис. 11.4в, г, е).

2. Наддув с переменным давлением газов перед турбиной – импульсный наддув Pt = var. В этом случае в турбине используется энергия импульсов давления, возникающих в выпускном трубопроводе при выпуске газов из цилиндров (2–4 шт.). Подвод газов к турбине осуществляется через короткие выпускные трубопроводы небольшого сече-

ния (рис. 11.4а, б, д).

При наддуве с Pт = const перед турбиной в ней используется только энергия расширения газов в турбине Е2, которая определяется площадью g-е′-f′-i. При этом значительная часть энергии импульса давления газов E1 не используется из-за потерь при перетекании газов из цилиндра в коллектор, дросселировании в выпускных органах, торможении и вихреобразовании. Часть кинетической энергии выпускных газов теряется при снижении скорости в коллекторе. Отрезок е-е′ показывает увеличение удельного объема газов ∆V вследствие повышения их температуры.

При импульсном подводе газов к ГТ кроме энергии расширения газов постоянного давления Е2 в турбине удается использовать значительную часть энергии импульса давления Е1 (рис. 11.5). Относительное увеличение срабатываемой энергии выпускных газов в импульсной турбине по сравнению с турбиной постоянного давления при равных расходах газа оценивается коэффициентом импульсности. Его ориентировочное значение может быть определено по формуле

КЕ = 1 + К1Е1 ,

Е2

где К1 – коэффициент, характеризующий долю энергии импульса, используемую в турбине у 4-тактного двигателей СОД К1 = 0,2–0,3, у 2- тактного двигателя МОД К1 = 0,35–0,45

Численное значение коэффициента импульсности зависит от давления наддува, количества цилиндров, подключенных к одному ТК, объема сечения выпускных трубопроводов. У выполненных МОД 2-тактного двигателя с импульсным ГТН на номинальном режиме КЕ = 1,07–1,38. Более высокие значения КЕ относятся к двигателю с низким давлением наддува и числом цилиндров, кратным 2 или 3. С повышением давления наддува эффект использования энергии импульсов снижается.

104

При Ps > 200 кПа импульсный наддув утрачивает свои преимущества перед Рт = const, поэтому при Ps > 200 кПа применяют Рт = const (рис. 11.5, 11.6). Он наиболее прост, не требует специального газового тракта, обеспечивает работу турбины на номинальном режиме с более высоким КПД, и наддув при Р = const имеет лучшие показатели на долевых режимах по сравнению с импульсным наддувом (рис. 11.7).

11.2. НАДДУВ 4-ТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

ГТН был применен в 4-тактном двигателе швейцарским инженером А. Бюхи в 1911 г. Развитию наддува в дизелях способствовали работы В. И. Гриневецкого и др. На морских судах в 4-тактном двигателе применили ГТН в 1928 г.

В 4-тактном двигателе на малых режимах и при пуске работа обеспечивается наличием насосных ходов, в течение которых осуществляется очистка цилиндров от продуктов сгорания и наполнение воздухом даже при неработающем ТК. Поэтому применение ГТН в 4-тактном двигателе более доступно, чем в 2-тактном. Четырехтактный двигатель с ГТН обладает рядом конструктивных особенностей, которые повышают эффективность ГТН. В них увеличен угол перекрытия клапанов. При этом лучше осуществляется очистка цилиндра от ОГ и охлаждение стенок цилиндра воздухом, происходит продувка камеры сгорания (КС) (при одновременном открытии впускного и выпускных клапанов), повышается заряд воздуха, и можно повысить мощность дизеля, снижается теплонапряженность деталей из-за охлаждения воздухом. Угол перекрытия составляет 100–150 оп.к.в.

Рис. 11.8. Зависимости параметров системы наддува от нагрузки четырехтактного дизеля

107

Для повышения эффективности продувки КС и использования энергии импульсов давления газов, возникающих при выпуске, делают отдельные патрубки от цилиндров к выпускным трубопроводам. В выпускном трубопроводе возникают волны давления из-за выпуска газов из цилиндров. Осциллограммы давления ОГ в выпускном коллекторе это подтверждают

При рационально выбранной схеме подвода ОГ от цилиндров к раздельным выпускным трубопроводам период перекрытия клапанов совпадает с периодом минимальных давлений в коллекторе (рис. 11.9), т. е. периодом максимального ∆P = Ps – Pт. При этом из-за продувки обеспечивается хорошее качество очистки цилиндра от отработавших газов. Цилиндры группируются по отдельным выпускным трубопроводам, чтобы выпуск очередного по порядку работы цилиндра не препятствовал процессу продувки предыдущего (рис. 11.9). В зависимости от числа и порядка работы цилиндров у 4-тактных дизелей с наддувом применяют разные схемы группировки цилиндров по отдельным выпускным трубопроводам.

При порядке работы 135642 угол заклинки 120° и сдвиг фаз волн давления в выпускном коллекторе будет 240°. Это обеспечивает хорошую продувку. В многоцилиндровом до четырех трубопроводов, большее число усложняет конструкцию.

В эксплуатации у СДВС изменение режима работы изменяет условия продувки: так, при номинальном режиме Ps > Pт. С уменьшением нагрузки дизеля и скорости судна значения Ps и Pт уменьшаются. При Ne = (0,3–0,5)Nен Ps ≈ Pт. При дальнейшем снижении нагрузки дизеля вместо продувки цилиндров в период перекрытия клапанов наблюдается заброс газов в цилиндр из выпускного патрубка и в ресивер. Коэффициент наполнения резко уменьшается.

При порядке работы 1-3-5-6-4-2 угол заклинки 120° и сдвиг фаз волн давления в выпускном коллекторе будет 240°. Это обеспечивает хорошую продувку. В многоцилиндровом до четырех трубопроводов, большее число усложняет конструкцию.

В эксплуатации у СДВС изменение режима работы изменяет условия продувки: так, при номинальном режиме Ps > Pт. С уменьшением нагрузки дизеля и скорости судна значения Ps и Pт уменьшаются. При Ne = (0,3–0,5)Nен Ps ≈ Pт. При дальнейшем снижении нагрузки дизеля вместо продувки цилиндров в период перекрытия клапанов наблюдается заброс газов в цилиндр из выпускного патрубка и в ресивер (рис. 11.8). Коэффициент наполнения резко уменьшается.

108

Если при этом ресивер наддувочного воздуха нагревается, то длительная работа двигателя на этом режиме не рекомендуется. Заброс газов в ресивер может привести к нагарообразованию в ресивере и в патрубках на впуске.

Результаты испытаний системы газообмена 4-тактного двигателя с наддувом на различных режимах показаны на рис. 11.8.

При 160° перекрытия имеется заброс газов в цилиндр из выпускного трубопровода на малой нагрузке Pт > Pц. Это может быть устранено уменьшением угла перекрытия при 115 градусах перекрытия.

Для снижения теплонапряженности деталей ЦПГ у 4-тактного двигателя с наддувом применяют интенсивное охлаждение верхней части втулки цилиндра, охлаждают форсунку, поршень и корпус выпускного клапана, применяют вращение выпускного клапана.

11.3. НАДДУВ 2-ТАКТНОГО ДИЗЕЛЯ

Наддув 2-тактных дизелей был применен позже, т. к. нет насосных ходов и мало энергии на привод ТК. Температура ОГ перед турбиной в 2-тактном двигателе ниже, чем в 4-тактном, из-за смешения ОГ и наддувочного воздуха. Впервые ГТН был применен «B&W» в дизелях с прямоточной клапанной продувкой 6VTBF74/160. В отличие от 4-тактного двигателя в 2-тактном существует много схем наддува. В СДВС в зависимости от схемы газообмена применяют 2 вида наддува: одноступенчатый со свободным ТК и комбинированный со свободным ТК и дополнительным приводным ТК (подпоршневые полости или поршневые компрессоры).

Схему одноступенчатого ГТН со свободным ТК применяют в дизелях с прямоточной клапанной продувкой и импульсном подводе газов к турбине («B&W», «Сторк», «Мицубиси»). Раннее открытие выпускных клапанов (85–95 до НМТ) и использование энергии импульсов ОГ на ГТ позволяют получить необходимое давление Ps и нормальное протекание рабочего процесса на всех режимах работы и при пуске без использования дополнительных ТК. В дизелях с контурными схемами газообмена «МАН», «Фиат», а также в дизелях с прямоточной продувкой «Гетаверкен» при работе ГТ P = const применяют комбинированный наддув с ГТН и дополнительные приводные компрессоры. Подобная схема у «Зульцера»: имеется ГТ нагнетатель, и часть энергии расширения идет на привод дополнительных компрессоров.

Схемы комбинированного наддува в зависимости от подключения приводных компрессоров разделяются на 3 группы: последовательная, параллельная и последовательно-параллельная.

110