Kamkin_-_Expluatatsia_sudovykh_dizeley_-_1990

Характеристика также показывает, что совместная работа че­ тырехтактного дизеля с турбокомпрессором лучше согласуется с ли­ нией оптимального КПД компрессора при работе на винт фиксиро­ ванного шага (ВФШ) (линия 5), когда рабочие точки компрессора расположены в устойчивой области, а снижение КПД отмечается на режимах среднего и малого хода (/ — граница помпажа).

Турбонаддув двухтактных дизелей реализуется сложнее четы­ рехтактных из-за отсутствия насосных ходов поршня, избытка про­ дувочного воздуха, меньшей температуры выпускных газов и по­ вышенного перепада давлений на продувку цилиндров. Применя­ емые в двухтактных дизелях схемы наддува могут быть разделены на две группы: так называемый чистый газотурбинный наддув, ког­ да воздухоснабжение на всех режимах обеспечивается только тур­ бокомпрессорами, а дополнительные компрессоры не применяются, и комбинированный наддув с использованием дополнительных ком­ прессоров с механическим или электрическим приводом.

Характеристики систем газотурбинного наддува. Характеристи­ ка полностью реализуется только при импульсном подводе газов к турбине, т. е. выпуске газов в разделенный трубопровод малого объема, где в период между фазами продувки цилиндров образуются импульсы повышенного давления, составляющие основную часть энергии газов. Благодаря импульсному подводу энергии мощность турбокомпрессора оказывается достаточной для обеспечения продув­ ки цилиндров при пуске и малом ходе. Обычно на дизеле устанавли­ вают несколько турбокомпрессоров, связанных с группой из 2—4 цилиндров (оптимальные условия использования энергии обеспечи­ ваются при подводе газов от трех цилиндров). Турбокомпрессоры работают параллельно на общий ресивер.

Условия для построения характеристики газотурбинного надду­ ва такие же, как и в четырехтактном дизеле, т. е. определяются равенством расхода воздуха через компрессор и группу цилиндров

расхода воздуха на рабочих режимах двухтактного дизеля (заштри­ хованная область на рис. ЗЛО). При работе по внешней характери­ стике линия рабочих режимов компрессора занимает положение Л. Как известно, для судовых дизелей переход на внешнюю характери­ стику вызывается повышением сопротивления движению судна. При таком изменении режима подачи компрессора уменьшается и не­

При сохранении значения частоты вращения п к и уменьшении расхода воздуха Gh с выходом на границу помпажа (линия 4) про­ исходит помпаж компрессора.

121

Очевидно, такие факторы, как неравномерное распределение нагрузки по цилиндрам, отложения в окнах, турбокомпрессорах, утилизационном котле на режимах повышенного сопротивления движению судна (линия 3), могут вызывать неустойчивую работу турбокомпрессоров значительно чаще, чем при нормальных услови­ ях плавания.

При ходе с балластом, наоборот, рабочие точки компрессора сдви­ гаются вправо от исходной линии У, и работа системы наддува при N e = const характеризуется увеличением подачи воздуха, давления наддува и частоты вращения турбокомпрессора (линия 2).

На режимах нагрузочной и винтовой характеристик линии рабо­ чих режимов компрессора идут более круто, благодаря чему во всем диапазоне эксплуатационных нагрузок обеспечивается его ус­ тойчивая работа, сопровождающаяся незначительным снижением КПД на режимах малого хода.

Другие особенности системы газотурбинного наддува обуслов­ ливаются работой нескольких турбокомпрессоров параллельно на

fyf-iEi Ро Ро

2,5

2,0

IS

КО

Рис. 3.10. Характеристики газотурбинного наддува двухтактного дизеля Бур­ мейстер и Вайн

122

общий ресивер. При одинаковой подаче рабочие режимы определя­ ются общей кривой, получаемой в результате деления суммарного расхода воздуха на число компрессоров. В действительности каждо­ му турбокомпрессору соответствует свой, несколько отличный ре­ жим работы вследствие неидентичности продувочно-выпускных трак­ тов, неравномерности распределения нагрузки по цилиндрам и т.д. Наибольшее расхождение режимов работы компрессоров наблюда­ ется при выключении цилиндров дизеля, когда расход воздуха через компрессор, работающий с неполным числом цилиндров, уменьшает­ ся и линия его рабочих режимов смещается в зону помпажа.

Характеристики систем комбинированного наддува. В системе дизель обеспечивается воздухом при совместной работе турбоком­ прессоров и дополнительных компрессоров с механическим или электрическим приводом. В крейцкопфных дизелях в качестве до­ полнительных компрессоров часто используют подпоршневые насо­

компрессоры работают на всех режимах. В новых системах изо­ барного наддува используют электроприводные центробежные ком­ прессоры (дизели МАН — Бурмейстер и Вайн KGFC, МС; Зуль­ цер RTA), основное назначение которых — обеспечить дизель воз­ духом при пуске и режимах малого хода. При дальнейшем повыше­ нии мощности дизеля электроприводные компрессоры отключаются, и на режимах полного хода (N e > 5 0 % ) воздухоснабжение осуще­ ствляется по схеме «чистого» газотурбинного наддува.

Принципиальное отличие характеристик комбинированного над­ дува состоит в том, что рабочая линия компрессора не совпадает с расходной характеристикой дизеля.

Дополнительные компрессоры (подпоршневые насосы или на­ вешенные объемные нагнетатели) обычно используют во второй ступени давления. В первой ступени работают турбокомпрессоры, после чего воздух охлаждается в воздухоохладителях и поступает во вторую ступень, где его давление повышается до рабочего зна­ чения ps.

При последовательном наддуве (рис. 3.11) на всех режимах соб­ людается равенство расходов воздуха по ступеням давления и через двигатель GK1 = GK2 = Gs. Общая степень повышения давления ^кобщ ^ л к1л к2 >а давление в ресивере без учета потерь давления в воздухоохладителях

где Арк2 — дополнительное повышение давления во второй ступени.

Из соотношений следует, что рабочие линии 1, 2, 3, компрессора Рт (G«i) должны располагаться ниже соответствующих расход­ ных характеристик дизеля на величину Арк2.

123

Рис. 3.11. Характеристики последовательного комбинированного наддува

Выполнив условие (ЗЛО), на всех режимах получаем характери­ стику последовательного комбинированного наддува, сходную по основным свойствам с характеристикой наддува четырехтактного дизеля, а именно: на режимах внешней характеристики дизеля (ha = const, линия /) снижение частоты вращения ведет к повыше­ нию КПД, но при этом сокращается запас по помпажу компрессо­ ра; на режимах нагрузочной характеристики (пном = const, ли­ ния 3) с уменьшением подачи топлива резко снижаются давление над­ дува и КПД компрессора. Практическое отключение газотурбин­

Несколько лучше оптимизируется работа, компрессора на режимах винтовой характеристики (линия 2). Однако и здесь область работы

турбокомпрессоров в вентиляторном режиме (рт = 1) распростра­ няется на режимы до среднего хода (Ne > 25 %). При использова­ нии в качестве второй ступени подпоршневых насосов (по типу ди­ зелей Зульцер RD, RND, RLA) условия согласования характе­ ристик несколько улучшаются и область вентиляторных режимов компрессора сокращается.

В заключение отметим, что при последовательном наддуве не воз­ никает проблемы с помпажем компрессора, и его устойчивая работа обеспечивается на всех эксплуатационных режимах дизеля.

Схемы параллельного наддува в различных вариантах широко ис­ пользуют в дизелях МАН. Обычно в судовом крейцкопфном дизе­ ле в качестве приводного нагнетателя, работающего параллельно с

124

турбокомпрессорами на общий ресивер, используют подпоршневой продувочный насос (ППН) цилиндров (V3, V* числа цилиндров). Для этого в подпоршневой полости предусматривается установка

;GS, gn — GJGs— соответствующие относительные расходы воздуха). Эти условия сохраняются на всех эксплуатационных режимах.

Рабочая точка компрессора на исходном режиме определяется до­

ся слева от расходной характеристики дизеля ps (Gs).

В зависимости от условий меняются соотношения между подача­ ми компрессоров и ППН, что и приводит к изменению параметров

Рк Ps Ро' Ро

2.0

L8

1М

1.2

1,0

ЮО GSt%

9*

Рис. 3.12. Характеристики параллельного комбинированного иаддува

125

g к» g н и положения линии компрессора. Так, на режимах внешней характеристики (линия 2) подача воздуха подпоршневыми насосами изменяется практически пропорционально частоте вращения дизе­ ля. Рабочие точки компрессора с уменьшением п и g Kлишь незначи­ тельно смещаются к границе 4 помпажа. И наоборот, на режимах нагрузочной характеристики, когда при л ном = const с уменьше­ нием нагрузки подача воздуха турбокомпрессором падает, а подача воздуха ППН остается неизменной, gyi возрастает, и рабочая линия 1 компрессора пересекается с границей помпажа.

Иначе говоря, здесь мы имеем изменение рабочих режимов ком­ прессора, противоположное тем, которые рассматривались при ана­ лизе характеристики последовательного наддува.

Как видно из рис. 3.12, даже на режимах винтовой характери­ стики (линия 3), когда на подачу g Hдействуют оба противоположных фактора, в области малых ходов не удается избежать помпажа ком­ прессора. Поэтому в чистом виде, без дополнительной коррекции рабочих точек компрессора при пуске и режимах малого хода, систе­ ма параллельного комбинированного наддува не может быть введе­ на в действие.

Однако благоприятные возможности оптимизировать работу компрессора и обеспечить высокий КПД в области основных экс­ плуатационных режимов главных судовых дизелей привели к срав­ нительно широкому их использованию на дизелях МАН.

Наиболее простая коррекция характеристики параллельного наддува достигается установкой на ресивере противопомпажного клапана, через который при пуске и на режимах малого хода часть воздуха из ресивера выпускается в атмосферу. Открытие противо­ помпажного клапана ведет к более пологому изменению расходной характеристики 6, и рабочие точки компрессора располагаются в об­ ласти устойчивых режимов. При выходе на режим с достаточным запасом по помпажу (точка а) противопомпажный клапан закрыва­ ется, и расходной характеристике ps (Gs) соответствует линия 5. К выпуску воздуха из ресивера иногда прибегают в штормовых ус­ ловиях, когда включением регулятора стабилизируется скоростной

для последовательной работы с турбокомпрессорами на режимах малого хода. На рис. 3.13, а стрелками показан выход на рас­

ходную характеристику 1 дизеля при некотором расходе G's: аЪ, Ьс — повышение давления соответственно в компрессоре и последова­ тельных ППН, cd — добавка воздуха параллельно работающими ППН. С увеличением нагрузки дизеля подача компрессора возрас­ тает быстрее подачи последовательных ППН и в точке k их ра­ бота прекращается: всасывающие и нагнетательные клапаны пе­ репадом давлений удерживаются в открытом состоянии и служат только для перепуска воздуха из ресивера первой ступени в реси-

126

а)

Рис. 3.13. Коррекция характеристик параллельного наддува

вер второй. Основная масса воздуха перепускается в ресивер вто­ рой ступени через пластинчатые клапаны, установленные на пере­ городке между ресиверами, и наддув осуществляется по обычной параллельной схеме в области устойчивых режимов (правее гра­ ницы помпажа 3).

Применение ППН цилиндров в качестве приводных нагнетате­ лей в схемах параллельного наддува позволяет также корректиро­ вать положение рабочей линии компрессора в области режимов вы­ ше среднего хода (в точке kx, рис. 3.13, б). С этой целью один или два

127

влияние два фактора: дополнительное повышение давления в буферных объемах ППН ps = р к + А рн; подача воздуха парал­ лельно работающими ППН в количестве g H.

При известных значениях g H и А рн режим компрессора опре­

деляют путем вычитания из общего расхода воздуха Gs параллель­ ной добавки воздуха g H и смещения полученной точки вниз до дав­

ления р к. Выполняя такое построение для различных значений GSf получим линию 2 рабочих режимов компрессора р к (GK). Если по­

дача g n больше соответствующего повышения давления А рн, то ра­ бочая линия 2 компрессора пересекается с расходной характерис­ тикой 1 дизеля. Очевидно, изменением соотношения числа после­ довательно и параллельно включенных ППН можно смещать линию

компрессора в направлении оси абсцисс, а изменением А/?„ — придавать ей различный наклон. Иначе говоря, в смешанной схеме наддува легче достигнуть оптимального согласования характерис­ тик дизеля и компрессора, когда на всех эксплуатационных режи­ мах обеспечивается наибольший КПД компрессора и достаточный запас по помпажу.

3.4.Контроль параметров и нарушения

вработе систем газообмена и наддува

Эксплуатационный контроль параметров наддува. Двигатели с турбонаддувом более подвержены влиянию факторов, вызываю­ щих изменение воздухоснабжения в эксплуатации, чем двигатели без наддува или с механическим наддувом. Это объясняется взаимо­ обусловленностью процессов в цилиндрах и агрегатах наддува, вли­ янием качества сгорания и смазывания на состояние газовыпускных трактов и проточных частей турбины. Процессы в компрессоре и воздухоохладителе зависят также от параметров и чистоты наруж­ ного воздуха, а глубина охлаждения — от температуры заборт­ ной воды.

Многообразие связей системы наддува с эксплуатационными фак­ торами определяет необходимость постоянного и разностороннего контроля за параметрами наддува и состоянием элементов си­ стемы.

Нарушение воздухоснабжения способно влиять на работу дви­ гателя в следующих направлениях:

уменьшение заряда и расхода воздуха и, как следствие, недоис­ пользование построечной мощности или ухудшение экономичности, повышение теплонапряженности деталей ЦПГ и выпускных клапа­ нов; отсюда снижение ресурса деталей, возможность появления преждевременных разрушений, интенсивных износов втулок, ко­ лец;

128

падение давления наддува и возможность заброса газов из ци­ линдра в подпоршневые пространства и воздушный ресивер, вызы­ вающие загрязнение продувочно-выпускных трактов, закоксовывание окон, а иногда их возгорание и аварии деталей ЦПГ, увели­ чение затрат на обслуживание цилиндров, трактов, турбокомпрес­ соров.

При загрязнении трактов нарушения возникают и в самой систе­ ме наддува, проявляются в виде помпажа компрессоров, повышен­ ного гидравлического сопротивления воздухоохладителей, потери плотности пластинчатых клапанов и их поломки.

Для суждения о работе системы наддува обычно контролируют следующие параметры (см. рис. 3.1, 3.15): давление ps и общую тем­ пературу ts наддувочного воздуха в ресивере (показания манометров и термопар выносятся в центральный пост и дублируются прибора­ ми местного контроля); потерю давления в фильтре А/?ф или под­

температуру забортной воды на входе в воздухоохладитель f зв и на выходе из него f3n\ температуру воздуха за воздухоохлади­ телем /81; частоту вращения турбокомпрессора п к; tv — температу­ ру выпускных газов за цилиндрами.

При обычном контроле замеряемые параметры сравнивают с дан­ ными стендовых, ходовых испытаний или с их нормированными значениями. Например, состояние фильтров компрессора и за­ грязнение воздухоохладителя определяют по перепаду давлений, замеряемому манометром. На загрязнение фильтра или воздухоох­ ладителя указывает повышение перепада давлений на 50 % по сравнению с нормальными значениями Арф ~ 504-60 мм вод.ст.;

Температура воздуха в ресивере ts в современных судовых дизе­ лях обычно регулируется автоматически и поддерживается на уров­ не 35—45 °С. В воздухоохладителе без влагоотделителя терморегу­ лятор необходимо настраивать так, чтобы исключить конденсацию водяных паров на трубках воздухоохладителя (рис. 3.16). Отсутст­ вие конденсации проверяют по кранам продувания ресивера. Скоп­ ление воды в ресивере способно вызвать сильную коррозию деталей ЦПГ и затруднить смазывание цилиндров. В то же время поддержа­ ние температуры t8 выше рекомендованных значений нежелательно, так как это ведет к уменьшению заряда и расхода воздуха, повьь шенной теплонапряженности деталей, обычно отражается и на тем-

3 ЦПУ

ft!

._________ I

Q h t © t3i

Рис. 3.15. Размещение приборов контроля в системе наддува дизеля Зуль­ цер RND

130