Воробьев_Теория судовых двигателей
.pdfВсхемах комбинированного наддува с последовательным подключением приводного компрессора для первой ступени используют ТК. Воздух идет на воздухоохладитель, затем во вторую ступень для сжатия
вприводных компрессорах или подпоршневых полостях. В схемах с параллельным подключением компрессора дополнительные компрессоры или подпоршневые полости подключают параллельно с ТК, они подают наддувочный воздух в общий ресивер – фирма «МАН».
В2-тактном двигателе МОД с прямоточной клапанной продувкой с импульсным подводом газов к турбине использование импульсов давления газов позволяет обеспечить работу дизеля на всех режимах и газообмен при одноступенчатом сжатии в ТК.
При чередовании импульсов давления газов в выпускных трубопроводах к моменту начала продувки давление импульса газов рабочего
тела снижается до более низкого значения, чем Ps, и таким образом создается перепад Ps – Pt для продувки цилиндра.
Создание 2-тактного двигателя с ГТН имеет ряд сложных проблем, одна из них – это согласование работы ТК и поршневого дизеля в широком диапазоне нагрузок и частот вращения. Для анализа совместной работы дизеля с ТК используют характеристики системы наддува, которые представляют собой совмещенные характеристики центробежного компрессора с расходной характеристикой ДВС. Характеристики строят по экспериментальным данным.
Характеристика компрессора представляет собой зависимость сте-
пени повышения давления Пк = Рк/Р0 от расхода воздуха при разной частоте вращения компрессора. На эту характеристику наносят линии по-
стоянных значений адиабатного КПД компрессора ηКад и границу помпажа (рис 11.10). На основании результатов совместной работы ТК с двигателем на характеристику компрессора наносят режимные характеристики ТК и расходную характеристику ДВС. При одноступенчатом ГТН они совпадают. При работе дизеля с наддувом Pт = const для сжатия воздуха используется энергия ОГ и энергия приводного компрессора; он повышает давление наддува и обеспечивает нормальное протекание процесса газообмена на всех режимах (частичных и при пуске).
Характеристики системы комбинированного наддува дизеля изображены на рис. 11.11.
111
РК/Р0
Рис. 11.10. Газодинамическая характеристика системы газотурбинного наддува дизеля
1 – внешняя характеристика; 2 – нагрузочная; 3 – винтовая; 4 – граница помпажа; 1, 2, 3 – линии рабочих режимов компрессора;
--- расходные характеристики двигателя
Рис. 11.11. Газодинамические характеристики системы комбинированного наддува с дополнительным сжатием воздуха в поршневом компрессоре при работе дизеля на режимах внешней, винтовой и нагрузочной характеристик
112
Вэтом случае расходная характеристика дизеля выше режимной характеристики компрессора на величину перепада, создаваемого приводным компрессором. ТК начинает повышать давление при достаточ-
ной нагрузке (Ре > 250 кПа) и большом расходе воздуха. В некоторых двигателях для подачи воздуха в цилиндры на малых нагрузках и при пуске используют электрокомпрессор. В МОД для СДВС более полно
используют энергию ОГ. Для таких ДВС применяют РТ = const. Преимущество такой системы наддува кроме равномерной подачи газов (выше эффективность работы турбин) – меньшая высота верхней кромки окон втулки. Это увеличивает полезный ход поршня и степень расширения ОГ.
Вэксплуатации с изменением состояния системы газообмена и наддува из-за отложений и нагаров расходная характеристика сдвигается в сторону помпажа. При согласовании характеристик дизеля и ТК предусматривают запас 15 %.
Вэксплуатации дизеля для оценки состояния и работы системы наддува контролируют следующие параметры: Ps, tк и ts, перепад давле-
ний в фильтре ∆Рр, перепад давлений в охладителе воздуха ∆Рк, tn и t0, температуру забортной воды в охладителе tвх и tвых, nтк.
11.4. ОХЛАЖДЕНИЕ НАДДУВОЧНОГО ВОЗДУХА
Охлаждение наддувочного воздуха применяют для увеличения Nе и снижения теплонапряженности деталей ЦПГ двигателя.
Охлаждение воздуха позволяет увеличить его плотность, массу заряда. Это позволяет сжечь больше топлива и увеличить Ne.
Охлаждение воздуха увеличивает Ne и улучшает условия работы деталей ЦПГ из-за снижения температуры поршня, втулки, крышки и органов газообмена. У МОД охлаждение воздуха повышает Pe = 1400–2500 кПа без повышения тепловой и механической напряженности. По опытным данным, промежуточное охлаждение наддувочного воздуха позволяет увеличить Ne на 2,5–3 % на каждые 10 °С охлаждения.
Охлаждение воздуха понижает температуру заряда в цилиндре, что должно увеличить период задержки воспламенения τi. Однако в двигателях с наддувом в конце сжатия увеличено Рс. Из-за этого условия воспламенение лучше и τi снижается. Это позволяет уменьшить ε без ухудшения процесса сгорания. При сжатии температура воздуха повышается до Tк = 470 К, после компрессора
|
|
Рк |
|
m−1 |
|
|
|
|
|||
Тк = Т0 |
|
|
|
m |
, |
Р |
|||||
|
|
0 |
|
|
|
113
где P0, T0 – давление и температура в машинном отделении; m – показатель политропы сжатия, для центробежного m = 1,7–1,8, для поршневого m = 1,45–1,6, для ротативного m = 1,65–1,8.
ВСДВС применяют охлаждение наддувочного воздуха забортной водой в поверхностных охладителях и 2-ступенчатое охлаждение с применением забортной воды и глубоким охлаждением.
Может так же применяться глубокое охлаждение и расширение в цилиндре (для 4-тактного двигателя), дополнительное турбодетандерное охлаждение, рефрижераторное охлаждение.
ВСДВС применяется охлаждение наддувочного воздуха в поверхностных водовоздушных охладителях. В МОД этот способ распространен из-за его простоты и надежности в эксплуатации. Воздухоохладители устанавливают после каждого ТК. Для охлаждения используют забортную воду. В СДВС применяют трубчатые и пластинчатые охладители воздуха. В трубчатых охладителях вода протекает по трубкам, изготовленным из мельхиора или титана, которые со стороны воздуха имеют оребрение. В охладителях поверхностного типа наименьшая температура наддувочного воздуха на выходе из охладителя зависит от температуры забортной воды и определяется
Тs = Тзв + (7–12),
где Тзв – температура забортной воды.
При охлаждении влажного воздуха ниже температуры точки росы происходит конденсация паров воды в охладителе. В дизеле с невозвратными пластинчатыми клапанами в ресивере влага отрицательно влияет на их работу и также на детали ЦПГ, ухудшается качество газообмена и снижается надежность работы дизеля. В связи с этим температуру воздуха в ресивере рекомендуют поддерживать на 8–10о выше точки росы. Выделение влаги из воздуха происходит особенно при низкой температуре забортной воды и высокой влажности воздуха, а также на долевых нагрузках ДВС.
Допустимая наименьшая температура наддувочного воздуха в ресивере дизеля определяется в зависимости от давления Ps, температуры воздуха в машинном отделении t0 и относительной влажности воздуха.
Существует номограмма допустимых в эксплуатации температур наддувочного воздуха на выходе из воздухоохладителя для различных значений Ps в зависимости от t0 и относительной влажности в машинном отделении.
По этому графику (рис. 11.12) находим для температуры в МО t0 = 45 °С, при избыточном давлении наддувочного воздуха в ресивере Ps = 50 кПа и относительной влажности воздуха в машинном отделении 100 %, что допустимая температура наддувочного воздуха должна быть не ниже ts = 53 °С.
114
Рис. 11.12. Номограмма выбора параметров работы системы газообмена
В ДВС с 2-ступенчатым сжатием воздуха применяют иногда 2-ступенчатое охлаждение забортной водой. При этом поверхностные охладители устанавливают после каждого компрессора.
Дополнительное охлаждение заряда достигается осуществлением воздушного холодильного цикла перед процессом сжатия заряда в цилиндре 4-тактного двигателя.
Для этого воздух сжимается, потом охлаждается в поверхностном охладителе и подается в ресивер. Наполнение цилиндра заканчивается до прихода поршня в НМТ, т. к. впускные клапаны закрываются раньше обычного, из-за этого воздух, дополнительно расширяясь, охлаждается. Эта схема охлаждения более сложна, т. к. необходима система автоматического изменения фаз газораспределения при изменении нагрузки двигателя (двигатели Нордберг и Фудзи).
Анализ влияния промежуточного охлаждения воздуха на экономичность показывает, что термический КПД при этом уменьшается, однако в реальном цикле ДВС с наддувом охлаждение повышает ηe. Этому способствует следующее: температура цикла будет ниже, количество Qw будет меньше, и повышается ηI; увеличивается масса воздуха в составе заряда, приходящаяся на единицу объема цилиндра, при этом индикаторная мощность повышается в большей степени, чем мощность механических потерь, поэтому ηm больше с промежуточным охлаждением.
В СДВС с ГТН применение промежуточного охлаждения не снижает экономичность, но иногда и возрастает ηe .
115
11.5. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС СИСТЕМЫ НАДДУВА СДВС
На установившихся режимах работы двигателя с ГТН при сжатии воздуха в свободном ТК имеется баланс между мощностью турбины и компрессора NT = NK на всех режимах. Мощность компрессора в расчетах определяют в зависимости от расхода воздуха и Ps.
Секундный расход топлива через компрессор, кг/с, определяют по количеству воздуха, необходимого для сгорания топлива,
Gк = 28,97αL0qe Ne φa, 3600
где α – коэффициент избытка воздуха; L0 – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива, кмоль/кг; qe – удельный эффективный расход топлива, кг/(кВт ч); Ne – мощность, кВт; φa – коэффициент продувки.
Секундный расход воздуха может быть определен также
Gк = Vs jsηнniz φa, 60
где Vs – рабочий объем цилиндра, м3; js – плотность воздуха перед цилиндром, кг/м3; ηн – коэффициент наполнения; i – число цилиндров на один ТК; z – коэффициент тактности.
Адиабатная работа сжатия воздуха в компрессоре, кДж/кг,
|
k |
|
|
|
|
|
k −1 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
pк |
k |
|
|||||||
Lкад = |
RsT0 |
|
|
, |
||||||||
|
|
|
|
|
|
−1 |
||||||
k −1 |
p |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где k – показатель адиабаты воздуха; Rs – газовая постоянная воздуха Дж/(кг к); P0, T0 – параметры окружающей среды; Pк – давление за компрессором, кПа.
В реальном компрессоре имеются потери на охлаждение воздуха, трение и завихрения, поэтому процесс сжатия политропный и работы затрачивается больше.
Отношение Lкад = ηкад – адиабатный КПД, который зависит от диа-
Lк
метра колеса компрессора и типа диффузора. Лопаточный диффузор ηкад ≈ 0,75–0,84, безлопаточный – 0,7–0,8; чем больше диаметр колеса, тем больше ηкад. Механические потери в ТК учитываются ηет. Мощность
N= GкLкад .
кηкад
116
Относительная мощность δ = Nк/Ni (мощность цилиндров на компрессор). У СДВС δ ≈ 0,12–0,2.
Мощность газовой турбины с P = const, кВт.
Nт = GтLт адηт,
где Gт – секундный расход газов через турбину, кг/с; Lт ад – адиабатная работа расширения 1 кг газов в Т, кДж/кг; ηт – эффективный КПД турбины.
Секундный расход газа через турбину больше секундного расхода воздуха на величину секундного расхода топлива:
GT = Gк + qТ = q3600e Ne (28,97 αL0φa + 1),
где qт – расход топлива, кг/с.
Адиабатная работа расширения газов в турбине, кДж/кг,
|
kт |
|
|
|
p'0 |
|
k −1 |
|
|
|
|
|
k |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
||||||
Lт ад = |
RтTт |
1− |
|
|
|
|
, |
|||
|
|
|
|
|||||||
|
kт −1 |
|
|
pк |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где kт – показатель адиабаты расширения газов в турбине; Rт – газовая постоянная выпускных газов, кДж/(кг К); Тт – температура газов перед турбиной, К; P’0 – давление газов за турбиной, кПа; Pт – давление газов перед турбиной, кПа.
Для свободного ТК совместное решение уравнений позволяет определить давление газов перед турбиной, обеспечивающее баланс мощностей турбины и компрессора на режимах,
Pт = |
|
|
P'0 |
|
|
|
|
|
. |
||
|
|
NК |
|
|
kт −1 |
kт |
|||||
|
− |
|
|
kт −1 |
|
|
|||||
|
1 |
|
|
|
k |
|
|
||||
G Т R |
η |
т |
т |
||||||||
|
|
|
т т т |
|
|
|
Соотношение между Pт и РS зависит от совершенства ТК, соответствия его характеристик характеристикам дизеля и совершенства газодинамики процессов газообмена. У СОД и МОД на номинальном режиме Pт = (0,8–0,9)PS. Давление газов за турбиной P’0 зависит от газодинамического сопротивления газовыпускной системы. В СДВС при наличии в выпускной системе утилизационного котла и глушителя давление газов за турбиной находится обычно в пределах P′0 = 104–107 кПа.
Температура газов перед турбиной определяется по формуле смеси продуктов сгорания и избыточного воздуха
ТТ = (Sa −1)C'pTs +β0 C"pcмТг , (Sa −1+β0 )C"'p
117
где Тг – температура продуктов сгорания в выпускном коллекторе до смешивания с избыточным продувочным воздухом, К; C"p' – средняя молярная теплоемкость смеси продуктов сгорания и избыточного воздуха, кДж/(кмоль К).
Температура продуктов сгорания определяется из уравнения политропы расширения продуктов сгорания при выпуске
Тг = |
Тво |
, |
m−1 |
pво mpт
где m – показатель политропы продуктов сгорания при выпуске. Из опы-
та m = 1,3–1,33.
Теплоемкость смеси газов перед турбиной, кДж/(моль К), определяется из уравнения теплоемкости продуктов сгорания и избыточного воздуха:
C"p' = (Sa −1)C'p +β0 C"pcм . Sa −1+β0
Эффективный КПД турбины учитывает потери в сопловом аппарате и на лопатках рабочего колеса, потери на преодоление сил трения в диске и в подшипниках ротора ТК, при утечке газа через зазоры и с выходной скоростью газа. У ТК СДВС эффективный КПД турбины находится в пределах ηт = 0,72–0,82.
Эффективный КПД ТК учитывает потери в турбине и компрессоре
ηТК = ηкадηт.
У судового двигателя КПД ТК ηТК ≈ 0,6–0,65.
Показатель адиабаты расширения газов в ТК зависит от состава и температуры газов перед ней. У ТК СДВС показатель адиабаты k1 = 1,33–1,35. Мощность импульсной турбины определяют с учетом им-
пульсности Nт = GтLтадηтkЕ.
Среднее давление газов перед ГТ для импульсной турбины определяют также с учетом импульсности
Pт = |
|
|
|
P'0 |
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кт −1 |
||
|
|
− |
NК |
|
|
kт −1 кт |
||||
|
1 |
|
|
|
|
k |
|
|
||
G R T |
η |
к |
Е |
т |
||||||
|
|
|
т т т |
т |
|
|
|
118
ЛЕКЦИЯ 12 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС СДВС
12.1.Виды теплового баланса.
12.2.Утилизация тепловых потерь.
12.1. ВИДЫ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА
На полезную эффективную работу ДВС расходуется только часть теплоты, выделившейся при сгорании топлива, остальная часть – потери. Основные – это потери в охлаждающую воду (среду) и с выпускными газами. Тепловой баланс – это распределение теплоты по основным составляющим. Некоторые статьи теплового баланса определяются экспериментальным путем на установившемся режиме ДВС. Различают удельный, абсолютный и относительный тепловой баланс.
В абсолютном тепловом балансе его составляющие выражаются в кДж/ч, в удельном – кДж/(кВт ч), в относительном – в % от общего количества теплоты. Тепловой баланс можно представить в виде схемы с указанием внутренних составляющих внешнего теплового баланса.
Для дизеля с наддувом изображают внутренние составляющие, характеризующие распределение теплоты между отдельными элементами
(рис. 12.1):
Qt – теплота, подведенная с топливом в виде химической энергии; Qст – потери на теплообмен со стенками цилиндра;
Qохл – потери с охлаждающей средой;
Qкол – потери теплоты в охлаждающую среду из выпускного коллектора;
Qвп – теплота, эквивалентная полной энергии газов в выпускном патрубке;
Qг – потери теплоты с выпускными газами;
Qмех – теплота, эквивалентная механическим потерям; Qтр – теплота трения;
Qнсг – потери теплоты от неполноты сгорания;
Qкэк – теплота, эквивалентная кинетической энергии газов; Qл – потери теплоты с лучеиспусканием;
Qe – теплота, эквивалентная эффективной работе; Qi – теплота, эквивалентная индикаторной работе; Qнб – остаточный член.
119
Рис. 12.1. Схема теплового баланса дизеля
При обработке результатов теплобалансовых испытаний ДВС составляют обычно удельный тепловой баланс. Распределение располагаемой теплоты qт, подаваемой с топливом, кДж/(кВт ч)
qт = qe + qохл + qг + qнб,
где qe – теплота, эквивалентная эффективной работе на валу, кДж/(кВт ч); qохл – потери теплоты с охлаждающей средой; qт– потери теплоты с ОГ; qнб – остаточный член (невязка баланса).
Располагаемую теплоту определяют как qт = qeQн,
где qe – удельный эффективный расход топлива, кг/(кВт ч); Qн – низшая теплота сгорания топлива, кДж/ч.
qe = 3600 кДж/(кВт ч) – она неизменна в удельном тепловом балансе. В относительном тепловом балансе отношение этой величины к количеству подведенной теплоты равно эффективному КПД
|
= |
qe |
= 3600 = ηе. |
|
q |
||||
|
||||
e |
qт |
qeQн |
||
|
|
120