Voznitskiy_-_Sudovye_dizeli_i_ikh_expluatatsia

Среднее эффективное давление. Работа, осуществляемая газами

вцилиндре двигателя, передается на коленчатый вал через поршень

икривошипно-шатунный механизм (КШМ), что сопровождается механическими потерями. Поэтому работа Le, передаваемая на фланец отбора мощности вала двигателя, называемая эффективной

Входящее в формулу давление ре называется средним эффективным давлением и представляет собой некоторое среднее условное по­ стоянное давление, действующее на поршень и совершающее на про­ тяжении одного его хода работу, равную полезной эффективной работе на соединительном фланце коленчатого вала двигателя:

Отсюда следует, что среднее эффективное давление представляет собой удельную эффективную работу, которая в свою очередь равна разности между производимой в цилиндре индикаторной работой и работой механических потерь, отнесенной к единице рабочего объема цилиндра. Значения рв1 МПа, находятся в пределах для двигателей с наддувом двухтактных 0,75— 1,6, четырехтактных 0,75—2,5, без наддува двухтактных 0,4—0,55, четырехтактных 0,52—0,65.

Индикаторная и эффективная мощность. Мощность двигателя, сответствующая индикаторной работе цикла, называется индика­ торной мощностью, кВт:

Если необходимо подсчитать мощность N t в индикаторных лоша­ диных силах, вместо коэффициента 0,0131следует брать 1,74.

Под эффективной мощностью двигателя N eподразумевается по­ лезная мощность, отдаваемая с соединительного фланца вала двига­ теля гребному валопроводу, генератору или иному приемнику энер­ гии. Аналогично формуле (11.8)

D 2 Sni

т

Для конкретного двигателя, имеющего определенные размеры цилиндра и тактность, мощность, развиваемая в одном цилиндре,

где С = 0,013Ш 25 /т — постоянная цилиндра.

240

Тогда агрегатная мощность

При расчете двигателя для определения N t прибегают к формуле ( 11. 10), поскольку предполагается, что среднее индикаторное дав» ление во всех цилиндрах одинаково. При испытаниях двигателя индикаторную мощность определяют на основе значений р ь по­ лученных путем обработки индикаторных диаграмм. При этом, по­ скольку значения p t разных цилиндров неодинаковы» на ос­ нове выражения (11.12) подсчитывают мощность каждого цилиндра, ■а мощность двигателя находят как сумму цилиндровых мощностей:1

1

Эффективную мощность N e определяют, основываясь на полу­ ченном в ходе расчета или испытаний значении N г и известном из

данных стендовых заводских испытаний значении механического кпд т|мех:

п

Таким образом, вращающий момент, определяющий нагрузку двигателя, и среднее эффективное давление, характеризующее на­ грузку цилиндра, находятся в прямой зависимости.

Согласно выражению (11.16) мощность, кВт,

при стендовых заводских испытаниях двигателя. На стенде двига­ тель подсоединяют к тормозному устройству (обычно к гидравличе­ скому тормозу) и измеряют частоту вращения и поглощаемый тор­ мозом вращающий момент.

241

11.2. Экономические показатели

Индикаторный КПД. Термический коэффициент полезного дей» ствия цикла % (см. § ЮЛ) учитывает только одну неизбежную по» терю теплоты — отдачу ее холодному источнику (потеря теплоты с выпускными газами). В реальном двигателе, кроме того, имеются потери, обусловленные наличием теплообмена между рабочим те­ лом и стенками цилиндра, вызванные неполным сгоранием топли­ ва и др.

Коэффициент полезного действия, учитывающий всю сумму по­ терь теплоты при осуществлении рабочего цикла, называется икди-д катодным КПД . Таким образом, индикаторный КПД оценивает степень использования теплоты в цилиндре реального двигателя и может быть представлен в виде отношения теплоты, эквивалент­ ной индикаторной работе газов, ко всей подведенной теплоте:

Повышение относительной доли потерь теплоты в стенки и с вы­ пускными газами, увеличение неполноты сгорания топлива отрица­ тельно сказываются на индикаторном КПД и, следовательно, на развиваемой двигателем мощности N г (при сохранении G4 = idem)* Качество сгорания топлива (скорость и полнота сгорания) во мно­ гом зависит от коэффициента избытка воздуха а, что в свою очередь определяет его влияние на индикаторный КПД: с увеличением а индикаторный КПД, как правило, растет» но до определенного предела.

Механический КПД* Коэффициент, учитывающий все механи­ ческие потери в двигателе, носит название механического КПД:

Если мощность, затрачиваемую на механические потери, обо­ значить через N mex, то эффективная-мощность

Ne= Ni Nmex;

Ni iVMex А^мех / t t ЛГ|Ч

242

вод продувочного насоса или навешенного на двигатель наддувочного агрега­ та, включая подпоршневые полости.

Механический КПД к]мех является величиной переменной и в зависимости от N t и N Mex составляет для двигателей: двухтакт­ ного 0,86—0,93, четырехтактного 0,85—0,95. Большие значения Чшех относятся к двигателям с газотурбинным наддувом и высоким давлением р е .

Величина т]мех необходима для пересчета индикаторных показа­ телей в эффективные. Определить т|мех с достаточной степенью до­ стоверности непосредственно в судовых условиях довольно слож­ но, поэтому в практике эксплуатации обычно пользуются опытными данными, которые заимствуют из материалов заводских стендовых испытаний двигателя.

Эффективный КПД. Коэффициент, учитывающий все потери в двигателе, в том числе и механические, называется - крэффициентом полезного действия. По аналогии с % ■ КПд может быть также представлен в виде отношения теплоты, эк­

вивалентной эффективной работе двигателя ЗбООА^ ко всей под­ веденной теплоте:

Связь между щ и це может быть установлена, если поделить вы­

Таким образом, эффективный КПД двигателя зависит от ин» дикаторного КПД, характеризующего экономичность рабочего про­ цесса, и механического КПД, оценивающего механические потери.

Расход топлива. Количество топлива, расходуемое двигателем в час, называется часовым расходом топлива, кг/ч,

(11.25)

где 60 п!т — число подач в час; i — число цилиндров.

Количество топлива, расходуемое двигателем в час и отнесен­ ное к 1 кВт его мощности, называется удельным расходом топлива, кг/кВт,

G,

Таким образом, удельный эффективный расход топлива ge на­ ходится в прямой зависимости от g t и обратно пропорционален

Таким образом, коэффициенты полезного действия т|г и % на­ ходятся в обратной зависимости от удельных расходов топлива gi и ge: чем меньше .расход топлива, тем выше КПД, и наоборот» Средние значения удельного расхода топлива и эффективного

КПД у двигателей:

На удельный расход топлива существенновлияют параметры внешней среды и теплота сгорания топлива:

кДж/кг.

244

11.3. Тепловой баланс и утилизация тепловых потерь,

Теплота, выделяющаяся при сгорании топлива, в цилиндрах двигателя, QT = G4 Qn. Часть теплоты преобразуется в эффектив­ ную работу, остальная теряется с выпускными газами, охлаждением и пр. Уравнение, связывающее все перечисленные составляющие теплоты, называется уравнением теплового баланса:

Теплота, превращенная в эффективную работу, ккал/ч,

В теплоту QOXJI входит и теплота, израсходованная на механи­ ческие потери, так как теплота трения поршня и поршневых колец отводится через втулку и охлаждающую воду, а теплота трения под­ шипников уносится циркуляционным маслом.

Теплота, ккал/ч, унесенная с выпускными газами,

Q r= G r cpr T OT~~~Gs сРв T0s

где Gri Cprt Тот — расход, теплоемкость и температура газов за газотур-

бокомпрессором или в выпускном патрубке двигателя без наддува; G.s, срв, Т 0 — расход, теплоемкость и температура свежего воздуха перед компрессором или на всасывании у двигателя без наддува (единицы физиче­ ских величин см. ранее).

Теплота* теряемая в связи с неполным сгоранием топлива, лу­ чеиспусканием в окружающую среду, — остаточный член баланса

Q OCT « 0,5 - г 2 % .

На практике обычно пользуются балансом теплоты, в котором составляющие выражены в процентах:

На рис. 11.3, а показано распределение составляющих теплового баланса судового двухтактного малооборотного двигателя с ГТН и утилизацией теплоты выпускных газов и охлаждающей воды. Из схемы теплового баланса четырехтактного двигателя (рис. 11.3, б) видно, что в газах, покидающих цилиндры, содержится 40,4% теп­ лоты. Из этого количества в турбине используется 8,7 %, а 31,7 % теряется в атмосферу либо частично используется в утилизационном

245

Рис. 11.3. Схемы теплового баланса двухтактного дизеля Зульцер RTA и че­ тырехтактного Пилстик РС2-5

ставляют 26 %. Составляющая теплового баланса, соответствую» щая эффективной работе, qe = 41,5 %, она же может рассматри­ ваться как эффективный КПД двигателя це.

В общем случае к основным относят потери с выпускными газа» ми qr = 20—40 % и с охлаждением дохл = 15—28 %. Часть теп­ лоты выпускных газов используется в газотурбонаддувочных агре­ гатах, но после них газы имеют еще достаточно высокую температу­ ру (в малооборотных двигателях температура газов за турбинами Т от = 250—350 °С? в среднеоборотных четырехтактных Г от= =4120~“400 °С), поэтому их успешно используют в утилизационных котлах. Во избежание конденсации паров воды и возможного об­ разования на хвостовых поверхностях котлов серной кислоты тем­ пература газов на выходе из них не должна падать ниже 160— 170 °С

В одноступенчатых (наиболее распространенных) утилизацион­ ных котлах вырабатывается пар давлением 0,3—ОД МПа, при на­ личии двух ступеней представляется возможным повысить давле­ ние до 0,8— 1,2 МПа» Пар низкого давления используют для подо­ грева топлива, воды и обогрева помещений, пар высокого давле­ ния — для привода паротурбогенераторов.

Эффективной утилизации теплоты пресной охлаждающей воды препятствуют ее относительно низкие температуры (65—75 °С)„

Всудовых установках теплоту воды обычно используют в вакуум» ных испарителях, а также при подогреве воды для бытовых нужд.

Вцелях более полного использования теплоты охлаждающей воды

вдвигателях вводите^ высокотемпературное охлаждение, при ко­

Утилизация теплоты в судовых установках позволяет повыситьих КПД на 6—9 %. В примере, представленном на рис. 11.3, б9 благодаря утилизации получено дополнительно 9,4 % теплоты, вследствие чего общий КПД СЭУ составляет 60,2 % * В некоторыж утилизационных установках в отличие от традиционных схем утилизируется не только энергия выпускных газов, но и теплота над­ дувочного воздуха, которая в двигателях с высоким наддувом до­ стигает 13 %«,

Контрольные вопросы

L Перечислите и объясните энергетические и экономические показате­ ли двигателя.

2, Каковы основные составляющие уравнения баланса тепла, их числен­ ные значения?

Г л а в а 12. НАДДУВ ДИ ЗЕЛЯ

12.1.Виды наддува

Воснове работы дизеля лежит преобразование энергии сжигаемо­ го топлива в механическую работу, поэтому чем больше сожжено топлива,. тем большую работу сможет развить двигатель» Но коли­ чество топлива, которое может эффективно сгореть в цилиндрах за­ данного размера, лимитируется массой размещаемого в них заряда

воздуха GB =

Для увеличения массы заряда воздуха нужно увеличить его

температуру Т 8. Этот путь повышения мощности двигателя полу­ чил наименование наддува.

Мощность двигателя благодаря наддуву оценивается, с помощью

во внимание, что при наддуве геометрические размеры цилиндра, характеризуемые постоянной С, и частота вращения п не изменяют­

По достигнутому значению ре двигатели подразделяют на три категории.

247

В зависимости от принятого привода нагнетателей на,вдув судо­ вых двигателей подразделяют на механический, газотурбинный и комбинированный.

Механический наддув — сжатие воздуха от атмосферного дав­ ления до давления наддува р к осуществляется в наддувочном агрегате (компрессоре) центробежного или объемного тина, приво­ димом в действие через зубчатую или цепную передачу от вала дви­ гателя.

С повышением давления р к мощность, отбираемая на привод ком­ прессора, увеличивается, т]м = 1 — (А/Мех + Мшш)1Ыг соответст­ венно падает, что отрицательно сказывается на экономичности. При­ менение механического наддува ограничивается умеренными значе­ ниями р к = ОД5 -т-0,16 МПа.

К преимуществам механического наддува относятся конструк­ тивная простота, относительно невысокая стоимость дополнитель­ ного оборудования и надежность; применяют его в основном в дви­ гателях малой мощности или в мощных' двигателях в комбинации с системой газотурбинного наддува.

Газотурбинный наддув — сжатие воздуха от атмосферного дав­ ления до давления наддува р к осуществляется в наддувочном агрега­ те, представляющем собой компрессор, объединенный газовой тур­ биной. В турбине, установленной в выпускном тракте двигателя, срабатывается значительная часть энергии выпускных газов, кото­ рая в двигателях без наддува обычно теряется в атмосферу. Посколь­ ку привод компрессора осуществляется турбиной, отпадает необхо­ димость в отборе мощности от двигателя. Важно также иметь в виду, что при газотурбинном наддуве с ростом давления р к мощность механических потерь не меняется, а индикаторная мощность увеличивается. В результате цшеж — 1 — N Mex/Ni растет, а удельный эффективный расход топлива соответственно снижается. В этом заключается существенное преимущество газотурбинного наддува, выгодно отличающее его от механического.

Комбинированный наддув -— сжатие воздуха — осуществляется в турбонаддувочном агрегате и в приводном нагнетателе, в качестве которого в двухтактном двигателе обычно используют подпоршневые полости цилиндров или навешиваемые сбоку цилиндров поршне­ вые насосы,

В зависимости от способа включения в систему воздухоснабжения агрегатов наддувочного воздуха применяют следующие виды комбинированного наддува: последовательный (сжатие в ТК, затем взвешенном компрессоре или подпоршневой полости), параллельный

2Ш

(сжатие в ТК и в подгюршневой полости осуществляется параллель­ но), последовательно-параллельный.

Поскольку при комбинированном наддуве не вся энергия, необ­ ходимая для сжатия воздуха до давления наддува» отбирается от вала двигателя, а лишь ее часть, определяемая затратой мощности на сжатие в приводном нагнетателе, то при прочих равных услови­ ях механический КПД двигателя с комбинированным наддувом т)мех комб больше цМех мм двигателя с механическим наддувом и меньше т)мехгтн двигателя с газотурбинным наддувом.

Таким образом, из сопоставления систем: механического, газо­ турбинного и комбинированного наддува видно, что наиболее эконо­ мичен газотурбинный наддув, чем и определяется его преимущест­ венное применение в судовых двигателях. К комбинированному над­ дуву прибегают в тех случаях, когда энергия газов недостаточна для реализации газотурбинного наддува (ранние конструкции двигате­ лей МАН, Зульцер), при котором обязательным условием является обеспечение баланса мощностей газовых турбин и приводимых ими компрессоров: N T — N K.

12,2, Использование энергии выпускных газов для наддува

При анализе термодинамического цикла отмечалась возмож­ ность повышения его эффективности (увеличения удельной работы цикла) вследствие продолженного расширения рабочего тела в лопа­ точных машинах, В действительном цикле идея продолженного расширения реализуется путем использования энергии выпускных: газов в газотурбокомпрессорах, применяемых для наддува двига­ теля.

Полная располагаемая энергия выпускных газов Е складывается

Составляющая Е г носит импульсный (пульсирующий) характер и представляет собой пики изменения давления, температуры и ско­ рости газа, возникающие в выпускной системе, перед турбиной в процессе свободного выпуска газов из цилиндра.

Составляющая Е 2 имеет постоянный характер и представляет собой энергию, характеризующуюся относительным постоянством давления рт= const, температуры и скорости газов перед тур­ биной на участке между импульсами (см. рис. 12.1, б) или в тече­ ние всего периода выпуска (рис. 12. 1, в, г).

В газовой турбине могут быть использованы обе составляющие энергии газов, однако степень использования импульсной состав­ ляющей зависит от способа подвода газов к турбине, в зависимости

249