Kamkin_-_Expluatatsia_sudovykh_dizeley_-_1990

a изменение расхода G* в зависимости от давления р 8 с точностью до постоянной k = VVY(/?/tt • 60)

на основании произведения контролируемых параметров р 8 и п. Если во второе выражение (3.2) ввести величину G3ap = a g nL 0,

то получим формулу, связывающую Gs с режимными параметрами gn и п:

Подстановкой в выражение (3.4) эквивалентов цикловой подачи

Здесь для оценки изменения g B используем отношение p jp e или p j p i (в случае расхода воздуха g B, кг/ч на 1 кВт индикаторной мощ­ ности) .

3.2. Расходные характеристики

Как следует из соотношений (3.3) — (3.5), задача анализа свя­ зей расхода воздуха Gs с параметрами рабочего процесса a , ре, ge

и режимными факторами h a, п усложняется из-за влияния пара­ метров рх, Ts и показателей газообмена ф„.

При рассмотрении этих связей определенную помощь может оказать понятие расходной характеристики дизеля, представляю­ щей собой зависимость давления наддувочного воздуха р, от рас­ хода воздуха <5, через дизель.

i l l

В неявном виде расходные характеристики представлены фор­ мулами (3.2), (3.3), которые в равной мере относятся к двух- и четы­ рехтактным дизелям. Но далее показано, что тактность оказывает на расходные характеристики весьма существенное влияние.

При определении зависимостей ps (Gs) исходим из формул уста­ новившегося движения воздуха и газа через цилиндры Gs, выпуск­ ные трубопроводы Gr и турбину GT, т. е. принимаем равенство мас­

деляется производительностью насосных ходов поршней на тактах

Дадим геометрическую интерпретацию этой зависимости для раз­ личных режимов работы дизеля (рис. 3.4, а). Рассмотрим режимы на­

грузочной характеристики, например, п ном ~ const (/i2 = 1).

В этом случае давление р8 следует пропорциональной зависимости от заряда Gs3ap и корректируется только изменением коэффициента наполнения т]н. Поскольку коэффициент т]н мало зависит от нагруз­ ки, то при допущении r\H = const характеристика ps (Gs) на графи-

112

ке имеет вид прямой, пересекающей ось абсцисс в точке а. До этой

точки дизель работает без наддува (р5 '= р0; ps = 1) и расход заряд­ ного воздуха G, зар = Унр0г\к1п/(60т).

ристик ps(Gs) для области нагрузочных режимов работы дизеля. Особенность характеристик состоит в том, что с переходом к мень­

шим значениям п участок 5 смещается в область меньших расходов^ и наклон характеристик р8 (Gs) возрастает.

Рассмотрим теперь зависимость ps (Gs) для режимов номиналь­

щения давление р8 согласно формуле (3.7) определяется отношением Gs зар/л >т - е- обусловливается уменьшением цикловой подачи заряд­ ного воздуха.

В дизелях с механическим наддувом от объемного нагнетателя

Gs зар/пс^.const и ps ~ const (линия 1). При газотурбинном наддуве (без регулирования или специальной настройки турбокомпрессора) снижение частоты вращения п при h a = const обычно сопровожда­

турбины и подачи компрессора. В случае = const снижение дав­ ления р8 является мерой снижения коэффициента избытка воздуха а, т. е. р8 ~ а, что оказывает определенное влияние на ограничение подачи топлива и тяговые свойства дизеля.

Выполнив аналогичное построение для других частичных значе­ ний ha = const, также получим сетку расходных характеристик

Ps {G8 зар) Для области скоростных режимов работы дизеля. Очевидно, для главного судового дизеля, работающего по харак­

теристике винта, связь давления наддува р8 и расхода воздуха Gs зар определяется сочетанием величин h a и л, обеспечивающих измене­ ние мощности по закону N e = cns. Расходная характеристика рас­ полагается между линиями 2 и 4 и вследствие преобладающего вли­ яния снижения величины ha по сравнению с частотой вращения п изображается в виде кривой 3. При этом существенно сокращается и область безнаддувных режимов работы дизеля.

Картина протекания расходных характеристик четырехтакт­ ного дизеля несколько усложняется в связи с дополнительным рас-

113

ходом воздуха на продувку камеры сгорания во время перекрытия клапанов. В этом случае фа > 1 и общая зависимость p s{Gs) на ос­ новании формулы (3.3)

Фа Ч н "

где k — постоянная.

По сравнению с линией 6 (фа = 1) расходная характеристика при фа > 1 на графике рис. 3,4, б отклоняется в область больших расходов.

Следует учитывать, что продувка камеры сгорания возможна только во время перекрытия клапанов при положительном перепа­ де давлений между впускным и выпускным патрубками (р8 > рт> здесь рт— давление в выпускном трубопроводе). В дизелях с изо­ барным наддувом условие ps > рт выполняется только в заштри­ хованной зоне после точки пересечения расходной характеристики

Ps (Gs) с характеристикой расхода газа через турбину /?т (GT). В ди­ зелях с импульсным наддувом вследствие разделения трубопрово­ дов и фазовых колебаний давления газа условие р8 > рт во время перекрытия клапанов распространяется на весь участок избыточно­ го давления р8 (рис. 3.5).

пускного патрубка в камеру сгорания и далее во впускной патрубок. Такая работа с забросом газов ведет к отложению нагара в камере сгорания, на впускных клапанах, стенках патрубка и для длитель­ ных режимов не рекомендуется.

В связи с продувкой камеры сгорания подчеркнем следующее: продувка не вносит принципиальных изменений в рассмотрен­

ные соотношения кривых р8 (Gs) на режимах работы дизеля по на­ грузочной, внешней и винтовой характеристикам;

продувка способствует лучшей очистке и наполнению цилинд­ ров и является важным фактором повышения надежности дизеля, особенно в отношении снижения тепловой нагрузки камеры сгора­ ния и выпускных клапанов.

В двухтактных дизелях продувка цилиндра является определя­ ющим фактором в процессах газообмена, и расходная характеристи­

ка ps (Gt) строится на гидравлических соотношениях течения воз­ духа через двигатель. Сложное движение воздуха через продувоч­ ные окна, цилиндры и выпускные органы заменяется простой схемой течения через эквивалентное сопло площадью (цТ7)экв> на котором

114

q q q q q q q Q

0.2~

ПродуШ

деляет гидравлические свойства системы газообмена и является

единой расходной характеристикой для всех режимов работы.

115

ристика ps (G8) пересекает параболы 1 и 5 с выходом на нулевой рас­ ход Gs = 0 при р8 = 1 (линия 6).

Таким образом, расходная характеристика двухтактного дизе­ ля с турбонаддувом в отличие от четырехтактного не имеет пря­

молинейного участка ps — 1 и изображается кривой 6Ускорректи­ рованной на изменение противодавления pr (Gs).

Рассмотрим теперь связь расходной характеристики двухтакт­ ного дизеля с турбонаддувом с режимами работы дизеля. Как сле­ дует из формулы (3.9), режимные параметры g n и п непосредствен­

но не входят в формулы для р8 (Gs). Значит ли это, что расходная характеристика двухтактного дизеля с турбонаддувом инвариантна к виду задаваемых режимов работы, т. е. не зависит от режима и является универсальной? Нет, не значит. В двухтактном дизеле с турбонаддувом в отличие от дизеля с механическим наддувом, где Рт — Ро ~ const и условие инвариантности выполняется, противо­ давление рг является величиной переменной, зависящей от вида задаваемых режимов. Наименьшие изменения давления рг имеем при снижении частоты вращения на режимах внешней характери­ стики h a = const. Отсюда и наименьшее отклонение линии 2 or квадратичной параболы /. Линия 2 и представляет собой участок расходной характеристики двухтактного дизеля с турбонаддувом, работающего на режимах h a = const в интервале изменения часто­ ты вращения от пх до л2.

Работа дизеля по нагрузочным характеристикам пх — const, п2 = const с уменьшением подачи топлива сопровождается более

Следует, однако, учесть, что указанные расхождения характери­

стик p8 (G8) на эксплуатационных режимах обусловлены физиче­ ской связью гидравлического сопротивления турбины с температу­ рой выпускных газов: с повышением температуры увеличиваются удельный объем газа, скорость потока и удельные гидравлические сопротивления проточной части турбины. В результате тот же рас­ ход воздуха и газов может быть обеспечен только при больших дав­ лениях ps и рг.

В двухтактных дизелях с механическим наддувом и свободным выпуском влияние температуры газов на характеристики р8 (Gs)

116

тором является объемное действие поршней на тактах впуска и

четырехтактных дизелей при движении судна с повышенным сопро­ тивлением.

В заключение подчеркнем, что знание закономерностей про­

текания характеристик р 8 (Gs) имеет и чисто практическое значение, так как позволяет по результатам измерения давления р8 оцени­ вать важнейший показатель работы систем газообмена и наддува — расход воздуха Gs. Эти знания необходимы также при рассмот­ рении совместной работы агрегатов наддува и дизеля при решении задач технической диагностики.

3.3. Совместная работа дизеля с агрегатами наддува. Характеристики системы наддува

Совместная работа дизеля с агрегатами наддува. Требуемые для зарядки и продувки цилиндров параметры наддувочного возду­ ха р8, Т 8и его расход Gs вырабатываются в системе наддува и, таким образом, зависят от совместной работы дизеля и агрегатов наддува. Условия совместности, с одной стороны, обусловлены гидравличе­ скими сопротивлениями воздухоохладителей, газораспределитель­ ных органов, трактов, представляющими рабочую сеть для компрес­ сора, с другой — зависимостью мощности турбокомпрессора от на­ грузки дизеля и параметров газа перед турбиной.

На установившихся режимах условия совместной работы дизеля и турбокомпрессора записывают в виде:

равенства расходов воздуха через компрессоры GK, дизель Gs и газов через турбину GT, т. е. GK= G8 = |3GT, где р = (<paaL 0 + + 1)/(фа«£о) — коэффициент, учитывающий увеличение расхода га­ за через турбину в связи с расходом топлива;

коэффициент потерь давления в фильтрах компрессора, воздухо­ охладителях, цилиндрах при продувке, выпускном тракте до и пос­ ле турбины (здесь р?ю рог — потери давления на входе в комп­ рессор и за турбиной).

В двухтактных дизелях £общ = 0,85—0,92. В четырехтактных £общ “ 0,9-7-0,95, так как сопротивление газораспределительных органов цилиндров и выпускного тракта частично преодолевается работой насосных ходов поршня.

Равенство GK= Gs непосредственно определяет связь расход­ ной характеристики дизеля ps (Gs) с характеристикой компрессора

117

р к (GK, л к). Последняя представляет собой поле изопараметрических (напорных) линий компрессора /?к (GK) при соответствующих постоянных частотах вращения компрессора д к0, п к1) мк2, и т. д. (рис. 3.7). Для центробежного компрессора характерно, что напор­ ные линии по мере увеличения сопротивления тракта выходят на участки постоянного давления, и рабочие режимы (линия 2) возмож­ ны только в зоне устойчивой работы (правее границы помпажа ком­ прессора — линии 1).

На характеристику также наносят линии постоянных значений адиабатного КПД компрессора T]k, разделяющие поле рабочих ре­ жимов на зоны различной эффективности. Зона высоких КПД обыч­ но примыкает к границе помпажа. Наоборот, в зоне вентиляторных режимов вблизи оси абсцисс компрессор работает с малым напором и низким КПД.

Характеристика компрессора присуща данной конструкции и типу компрессора и обычно снимается на специальном стенде. Эффективность использования компрессора в системе наддува дизе­ ля прежде всего зависит от согласования его характеристики с рас­ ходной характеристикой дизеля.

Согласование характеристик состоит в подборе такого турбоком­ прессора, рабочие режимы которого для длительных эксплуата­ ционных нагрузок располагаются в зоне высоких КПД компрессо-

Рк!Ро

3.0

2,8

2,6

г.*

2,2

2,6

1J

1,6

и

1.0

Рис. 3 7. Характеристики компрессора

118

зеля или части его цилиндров.

Характеристика системы наддува имеет основополагающее зна­ чение в оценке воздухоснабжения дизеля на эксплуатационных ре­ жимах, анализе причин снижения эффективности работы агрегатов наддува, помпажа компрессоров.

Наиболее просто согласование характеристик решается для ди­ зелей с механическим наддувом (рис. 3.8). С выбором передаточ­ ного числа привода и типа компрессора (объемный, центробежный)

В дизелях с турбонаддувом задача согласования усложняется из-за влияния на мощность турбокомпрессора и сопротивление турбины режимных факторов. С характеристикой компрессора со­ гласуется не одна линия, а поле расходных характеристик, зави­ сящих от режима работы дизеля.

Характеристики системы наддува четырехтактного дизеля

записывают в виде равенств GK= Ga и p H~ p s для всех совместных режимов работы дизеля и компрессора. Совмещая характеристики дизеля и компрессора, получают поле рабочих режимов (заштрихо­ вано на рис. 3.9). Анализ характеристик позволяет выявить следу­ ющие особенности совместной работы четырехтактного дизеля и тур­ бокомпрессора.

В области полных нагрузок (верхняя часть заштрихованного по­ ля) компрессор работает с высоким КПД, но его режимные воз­ можности ограничены из-за малого запаса по помпажу (с уменьше­

119

нием частоты вращения дизеля рабочие точки компрессора прибли­ жаются к границе помпажа).

В области малых нагрузок (нижняя часть заштрихованного по­ ля), наоборот, возможности устойчивой работы компрессора рас­ ширены, но КПД существенно снижается. Отклонение от линии оп­ тимальных КПД компрессора Лкопт и ухудшение эффективности турбонаддува особенно значительны при снижении мощности дизе­ ля в случае работы на ВРШ по нагрузочной характеристике 3 («ном = const). Для турбокомпрессора, работа которого оптималь­ но согласована с режимом номинальной мощности дизеля (точка а), на эксплуатационных режимах (точки b, с) КПД и давление наддува существенно снижаются. В этих условиях для улучшения

120