Voznitskiy_-_Sudovye_dizeli_i_ikh_expluatatsia

от которого газотурбинный наддув подразделяют на импульсный и постоянный»

Импульсный газотурбинный наддув происходит при переменном

отбирать газ из цилиндров 1 при более высоких температурах; во избежание расширения газов в выпускной системе их подво­

дят к газовой турбине по коротким патрубкам,2 малого сечения и по возможности турбину 3 приближают к цилиндрам;

чтобы импульсы отдельных цилиндров не накладывались один на другой и не мешали продувке в соседних цилиндрах, выпускную систему двигателя разделяют на несколько самостоятельных трубо­ проводов, подводящих газ к одной или нескольким турбинам; к каждой турбине для получения максимального КПД подключа­ ют не более трех цилиндров, выпуски которых в соответствии с по­ рядком работы максимально разносят один от другого.

В результате такой организации выпуска в импульсных газовых турбинах двухтактных МОД удалось достигнуть использования 35—45 % энергии импульса Е г. В четырехтактном двигателе уста­ новка нескольких турбин по экономическим соображениям нецеле­ сообразна, поэтому объемы выпускных трактов относительно вели­ ки, что снижает давление импульса и соответственно долю исполь­ зуемой энергии; в четырехтактном среднеоборотном двигателе она составляет (0,2^-0,3) Ег.

250

П р е и м у щ е с т в а импульсной системы наддува:

более полное использование энергии газов, что облегчает зада­ чу балансирования мощностей турбины 3 и компрессора 4 (см. рис. 12.1, а, д);

лучшее снабжение двигателя воздухом при пуске и на режимах малых частот вращения и нагрузок, в связи с' чем в двухтактном двигателе с прямоточной схемой газообмена исключается необхо­ димость в использовании дополнительных нагнетателей с независи­ мым приводом;

быстрое реагирование турбокомпрессора на изменение режима работы двигателя, что обеспечивает его хорошую приемистость;

лучшая продувка цилиндров благодаря более низкому дав­ лению в выпускных патрубках в период продувки.

Н е д о с т а т к и импульсной системы наддува: сложность выпускного тракта;

необходимость установки на больших двигателях нескольких турбин, максимально приближенных к питающим их цилиндрам, по­ скольку подключение к одной турбине более трех цилиндров и увели­ чение объема и длины подводящих выпускных патрубков сущест­ венно снижают эффективность использования импульсной состав­ ляющей энергии газов;

более низкий КПД турбины (по сравнению с турбиной на посто­ янном давлении т|тп) вследствие непостоянства давления и скорости газов на входе в турбину, перетекания газов из-за наличия раздель­ ного соплового аппарата, больших потерь на вентиляцию и пр.

С ростом давления наддува р к и ре доля импульсной составля­ ющей Е г в общей энергии сокращается, поэтому, учитывая отмечен­ ные недостатки, область использования импульсной системы огра­ ничивается р к = 0,13—0,18 МПа.

Постоянный газотурбинный наддув происходит при постоянном: давлении газов перед турбиной (см. рис. 12.1, в, е). Продукты сгора­ ния из всех цилиндров 1 направляются в один общий выпускной кол­ лектор 7, в котором из-за его большого объема давление газа, не­ смотря на цикличность поступления, выравнивается и поддержи­ вается на постоянном уровне рТ (см. рис. 12. 1, г), определяемом количеством поступающего газа, его параметрами и пропускной способностью турбины. Из коллектора газ поступает в одну или две турбины 3 (5 ~~ воздухоохладитель, 6 — ресивер). При такой орга­

сора (т]гтк = бб-т-72 %), что в свою очередь дало возможность в со™

251

временных двигателях полностью перейти на газотурбинный наддув, отказавшись от использования подпоршневых полостей в каче­ стве дополнительных компрессоров.

12.3. Схемы систем наддува

Наддув четырехтактного двигатели. Меньшие (по сравнению с двухтактным двигателем) удельные расходы воздуха, относитель­ но высокая температура выпускных газов и наличие насосных хо­ дов поршня в четырехтактном двигателе облегчают решение зада» чи балансирования мощностей турбин и приводимых ими наддувоч­ ных агрегатов. В главном среднеоборотном двигателе предпочтение отдается наддуву при постоянном давлении газов перед турбиной,

бокомпрессора. В двигателях, работающих в условиях быстроменяющихся нагрузок (дизель-генераторы) предпочтение в силу лучшей приемистости отдается импульсной схеме наддува.

Поскольку четырехтактные двигатели часто используют для привода генераторов судовых электростанций (или в установках наземного транспорта) и для них характерна быстрая смена режи­ мов, то в целях повышения их приемистости предпочтение отдают импульсным системам наддува.

В некоторых четырехтактных двигателях последних моделей в выпускном тракте устанавливают преобразователи импульсов (рис. 12.2), способствующие эффективному преобразованию кинети­ ческой энергии газов в энергию постоянного потока. В результате такого преобразования давление перед газовой турбиной выравнива­ ется и последняя практически работает в режиме рт = const, что способствует повышению ее КПД, а использование энергии импуль­ са увеличивает ее мощность и, что особенно важно, позволяет обеспечить баланс мощностей турбины и компрессора на малы к на­ грузках, начиная с 20 %-ной нагрузки до номинальной.

Для улучшения очистки цилиндра от продуктов сгорания в четырехтактном двигателе применяют продувку камеры сгорания

Рис. 12.2. Преобразователь импульсов

252

Рис. 12.3. Принципиальная схема группировки цилиндров при газо­ турбинном наддуве

Для ' увеличения. эффективности процессов продувки камеры сгорания и наддува двигателя применяют также разделение вы­ пускного трубопровода на отдельные ветви, чтобы избежать на­ рушения продувки отдельных цилиндров и эффективнее использо­ вать энергию выпускных импульсов. Выпуски из цилиндров груп­ пируют таким образом, чтобы получить в отдельных ветвях выпуск­ ного коллектора наибольший сдвиг по времени между волнами давления, возникающими от выпусков объединяемых цилиндров.

Например, в шестицилиндровом четырехтактном двигателе (рис. 12.3) в одну из ветвей коллектора направляют выпуск из 1-, 2- и 3-го цилиндров, а в другую — из 4-, 5- и 6-го цилиндров; поря­ док вспышек при этом 1—5—3—6—2—4. При угле заклинивания колен Дер = 120° сдвиг фаз между волнами давлений будет равен 240°, что полностью обеспечивает эффективную продувку за это время. Естественно, что при другом числе цилиндров, ином поряд­ ке вспышек и расположения колен требуется другая группировка цилиндров и иное число выпускных коллекторов.

Наддув двухтактного двигателя. Проблема снабжения двухтакт­ ного двигателя воздухом в необходимом количестве и с заданным дав­ лением наддува решается значительно сложнее. В силу затруднений в обеспечении баланса мощности (равенства iVT и N K на валу комп­ рессора) в двигателях ранних моделей с контурными схемами газо­ обмена (МАН, Зульцер, Фиат) нельзя было осуществить наддув толь­ ко благодаря применению ТК и приходилось прибегать к комби­ нированным системам наддува с использованием подпоршневых по­ лостей. Причины этого следующие:

из-за отсутствия хода выталкивания для обеспечения качествен­ ной продувки и удовлетворительного наполнения цилиндров возду­ хом среднее давление газа перед турбиной должно быть существенно меньше давления воздуха в ресивере рт = (0,80—0,88) ps;

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

расход воздуха на продувку, поэтому наддувочный агрегат (комп­ рессор) должен иметь большую подачу.

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

Совершенствован ие газообмена, уменьшение расхода воздуха на продувку и, главным образом, переход на наддув с постоянным дав­

253

ресивера 5 в первую и тем самым обеспечивают возможность работы злектроприводного компрессора 6 последовательно с турбокомпрес­ сором 3 (1 — цилиндр; 4 — воздухоохладитель).

12.4. Влияние эксплуатационных факторов на работу системы наддува

В двигателе с турбонаддувом влияние эксплуатационных фак­ торов на количество поступающего в цилиндры воздуха Gs и на процессы газообмена и сгорания в силу сложности систем воздухоснабжения оказывается большим. Если в двигателе без наддува определяющим фактором является состояние впускного и выпуск­ ного трактов, в том числе продувочных и выпускных окон (их со­ противление), то в двигателе с наддувом и к основным причинам добавляется состояние компрессора, воздухоохладителя, газовой турбины, невозвратных клапанов подпоршневых полостей и пр. При эксплуатации состояние перечисленных элементов в основном меняется из-за их загрязнения отложениями масла, продуктами неполного сгорания и т. п. Поскольку от работы системы наддува зависит снабжение двигателя воздухом, а последнее определяет ка­ чество процессов газообмена и индикаторного процесса в целом и

254

теплонапряженное состояние двигателя» то изучение взаимосвязей работы агрегатов наддува и двигателя и причин, вызывающих: ^на­ рушение их рабочего состояния, имеет важное значение для на­ хождения технически правильных решений при эксплуатации.

Изменение условий работы системы наддува двигателя можно проследить по характеристикам компрессора и расходной (гидрав­ лической) характеристике двигателя (рис, 12.5).

Гидравлическая характеристика двигателя представляет собой зависимость относительного давления перед впускными органами (продувочными окнами, впускными клапанами) р к!р0 от расхода воздуха через двигатель Gs (кривая /). Обычно вместо Gs принима­

Характеристика компрессора складывается из линии рабочих режимов компрессора, представляющей собой зависимость степе­ ни повышения давления воздуха в компрессоре jtk s= p j p 0 от его подачи GKдля различных постоянных значений частоты враще­ ния компрессора (кривые ятк — const) и семейства кривых равных адиабатных КПД (г|адк — const).

Адиабатный КП Д компрессора характеризует степень совершен­ ства осуществления сжатия воздуха в компрессоре и представляет собой отношение адиабатной работы сжатия LajxK (работы, которую пришлось бы затратить, если бы процесс осуществлялся без потерь, подчиняясь адиабатному закону) к действительно затрачиваемой работе на привод компрессора LK. Таким образом, т|адк «= L.Am/L K.

При газотурбинном наддуве с одним свободным ГТК GK= Gs и линия рабочих режимов совпадаете расходной характеристикой двигателя (кривая /). Если на двигателе установлены два турбо­ компрессора одинаковой подачи, т. е. GK1 = GK2 и GK1 + Gm »

— Gs, то линия рабочих режимов для каждого ТК будет общей и располагаться слева от расходной характеристики двигателя так, что она разделит горизонтальные отрезки от оси ординат до кривой / на равные части.

Рис. 12.5. Характеристи­ ки систем газотурбинно­

го наддува со свободным ТК и их изменение при загрязнении компрессора

(режим Ь), выпускного

тракта (режим с); газо­ вой турбины (режим d)

255

. Помпажной линией 2 характеристика разделяется на область ус­ тойчивых режимов (справа от границы помпажа) и область неустой­ чивых режимов (слева), когда компрессор входит в помпаж, харак­ теризующийся пульсацией давлений из-за срывов потока воздуха, появлением в работе компрессора циклически меняющегося шума высоких тонов. .

Рассмотрим характерные случаи нарушения состояния отдель­ ных элементов системы наддува.

Загрязнение фильтра компрессора приводит к уменьшению его проходного сечения, увеличению перепада давлений и скорости воз­ духа в нем. Казалось бы, это должно повлечь уменьшение подачи компрессора, однако даже при двукратном увеличении сопротив­ ления подача Gs практически не меняется, поэтому индикатор­ ный процесс в двигателе остается также без изменений. Однако изза увеличения скорости движения воздуха в ячейках фильтра его фильтрующая способность ухудшается, и это требует не допускать увеличения перепада давлений в фильтре более чем на 100 %.

Загрязнение проточной части компрессора вызывается отло­ жениями, главным образом состоящими из продуктов масляного происхождения, на лопатках вращающегося направляющего аппара­ та и в межлопаточных каналах на выходе из колеса; максимум от­ ложений отмечается в диффузоре, особенно в лопаточном. Загрязне­ ния в проточной части уменьшают ее проходное сечение, искажают форму каналов, увеличивают потери на трение, что отрицательно от­ ражается на адиабатном КПД компрессора, и, как следствие, уменьшается его подача, что приводит к уменьшению расхода воз­ духа на двигатель и падению давления наддува. Сокращение Gs в свою очередь обусловливает уманьшение количества газов, посту­ пающих на газовую турбину. Ее мощность снижается, что вызывает некоторое снижение частоты вращения ГТК.

В результате происшедших изменений линия рабочих режимов

Для устранения отмеченных явлений рекомендуется промывать компрессор водой, подаваемой в небольших количествах на всасы­ вание во время его работы. Вода разбивает масляные отложения, вымывает их с рабочих поверхностей, а воздух уносит в цилиндры, где они сгорают. При больших загрязнениях рекомендуется при­ менять химические препараты.

Загрязнение воздухоохладителя происходит при отложении мас­ ла на поверхности трубок со стороны воздуха и солей и шлама — со стороны охлаждающей забортной воды. Как следствие, растет сопротивление движению воздуха, перепад давлений Aps на холо­

256

передачи. Охлаждающая способность холодильника падает, пере­ пад температур воздуха ГГК — T s) уменьшается, температура воз­ духа T s в ресивере повышается. Последнее обстоятельство отрица­ тельно сказывается на массовом заряде воздуха в цилиндрах GB, Достаточно сказать, что повышение температуры наддувочного воз­ духа на 10° вызывает сокращение GB в среднем на 2—3 %.

Уменьшение проходного сечения газораспределительных органов

обычно является следствием отложения на них кокса. Гидравличе­ ская характеристика двигателя (см. рис. 12.5) из-за роста сопротив­ ления газораспределительных органов смещается влево, в область меньших расходов воздуха. Сокращение расхода воздуха Gs при наличии у двигателя достаточного резерва по воздуху может и не отразиться на индикаторном процессе, и частота вращения оста­ нется неизменной, но температура газов перед турбиной возрастет. Однако, несмотря на рост температуры Гт, уменьшение подачи Gs и связанное с этим сокращение количества поступающего на турбину газа приведут к некоторому снижению ее частоты вращения. Сокра­ щение, подачи компрессора, уменьшение Gs, казалось бы, должны бы­ ли привести к падению давления наддува р к, но рост сопротивления газораспределительных органов приводит к тому» что давление р И •обычно сохраняется на прежнем уровне либо даже несколько увели­ чивается. В итоге режим работы турбокомпрессора при закоксованных окнах смещается из точки а в точку с (см. рис. 12.5). Новое по­ ложение линии рабочих режимов характеризуется меньшим запасом, по помпажу (расстояние от области неустойчивой работы сокраща­ ется) — увеличивается вероятность попадания П К . в помпаж.

Загрязнение проточной части турбины обусловливается отло­ жениями продуктов неполного сгорания и полимеризации масла и топлива в сопловых каналах и на рабочих лопатках. В результате уменьшается пропускная способность турбины (ее эквивалентное се­ чение |iFT), что вызывает рост давления рТ и температуры газа Тт перед турбиной. Изменение геометрии проточной части турбины отрицательно отражается на ее КПД: г§т снижается, что приводит к

ственно линия рабочих режимов компрессора (кривая 1) смещают­ ся в сторону меньших расходов'(см. рис. 12.5), и режим из точки а переходит в точку d загрязненной проточной части турбины, лежа­ щую на новой характеристике 3. Загрязнение турбины, помимо от­ рицательного воздействия на ее рабочий процесс, приводит также к нарушению балансировки ротора и появлению опасных вибраций,

Контрольные вопросы

L Как реализуется наддув?

2.Каково влияние эксплуатационных факторов на работу системы над­

дува?

3.В чем сущность наддува импульсного .и при постоянном давлении?

Гл а в а 13. ОСНОВЫ Д ИН А М И К И Д И З Е Л Я

13.1.Силы и моменты,

действующие в кривошипно-шатунном механизме

Основные кинематические соотношения (рис. 13.1). Основными конструктивными параметрами КШМ являются: радиус кривошипа

пределах — от У5 до Уз, 5»меньшие значения X (от V5до VJ откосят­ ся к мало и среднеоборотным двигателям, а большие (от Уз,99 до Уз, б) ■— к высокооборотным. В малооборотных длинноходных дви­ гателях резко увеличился радиус мотыля А» что привело к сущест­ венному увеличению X ~ 1/2,2 (двигатель S-MC).

Перемещение поршня происходит от ВМТ до НМТ и обратно. Если принять за начало отсчета положение поршня в ВМТ (а = 0°), то проходимый им путь (м) в функции угла поворота кривошипа

Из формулы (13.2) видно, что изменение скорости поршня под­ чиняется синусоидальному закону. Так, при а = 0° скорость рав­ на нулю, а при а, близком к 90°, она до­

стигает максимума.

Ее среднее значение за один оборот, м/с,

258

Рис. 13.2. График и схема сил, действую­ щих в КШМ

во время работы двигателя подвергается воздействию: газов в ци­ линдре Рг, инерции поступательно движущихся масс механизма

ханизма Р тр. Последние три силы (Рш$ Р атм, Р тр) относительно невелики, их влиянием можно пренебречь. При рассмотрении оставшихся сил (Рг и Pj) условимся считать их положительными, если они способствуют движению поршня вниз, и отрицательными, если они препятствуют этому движению. На диаграмме сил поло­ жительные силы будем откладывать вверх от оси абсцисс, а отрица­ тельные — вниз.

Сила действия газов P v = P rFn приложена к поршню с площадью Fn и действует вдоль оси цилиндра. Давление газов рГ переменно по значению, закон его изменения определяется из индикаторной диаграммы, перестроенной с использованием метода А. Ф. Брикса (учитывающего влияние на ход поршня конечной длины шатуна),

где М П — масса поступательно движущихся частей, кг; а — ускорение порш ­ ня, взятое с обратным знаком (так как направление сил обратно направле­

нию ускорений), м/с2.

Масса