Сборник 70 студ конференции БГТУ

671

земли). Количественная оценка проникновения пыли через систему фильтрации с различным сочетанием классов очистки по ступеням показывает, что наибольший эффект у фильтров сверхтонкой очистки. Фильтры сверхтонкой очистки в системе воздухоочистки имеют сравнительно небольшой мировой опыт использования (около 15 лет). Однако за этот период они отлично зарекомендовали себя и подтвердили экономическую целесообразность применения.

Работа выполнена под руководством асс. каф. «Тепловые двигатели» Светляевой Е.И.

Н.Е. Данилкина МОЩНЫЕ МАЛООБОРОТНЫЕ ДИЗЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ -

НАИЛУЧШИЕ СИЛОВЫЕ АГРЕГАТЫ ДЛЯ ДЭС

Объект исследования: малооборотные дизельные двигатели. Результаты, полученные лично автором: проведены исследования в

области применения малооборотных дизельных двигателей.

Мощные малооборотные дизельные двигатели - наилучшие силовые агрегаты для малой энергетики.

Высокая надежность МОД (более 40 лет эксплуатации), высокий уровень автоматизации, наивысшая экономичность, возможность работы на любых сортах топлив (нефтяных и газообразных), возможность использования тепла выхлопных газов и системы охлаждения для теплофикации делают такие двигатели перспективными силовыми агрегатами для ДЭС.

Основными преимуществами ДЭС с МОД являются:

-широкий диапазон мощности (от 5 до 150 МВт);

-использование до 87% (с утилизацией) тепла сжигаемого топлива;

-самая низкая стоимость электрической и тепловой энергии по сравнению с другими тепловыми станциями;

-экологическая чистота ДЭС, низкий уровень шума и вибрации; Основные преимущества имеет двухтактный двигатель. По

эффективности, как основной двигатель, он превышает среднеоборотные двигатели, паровые турбины и одноцикловые или комбинированного типа газовые турбины.

Средние затраты на топливо при использовании двухтактного двигателя относительно невелики, так как двухтактные и современные четырехтактные двигатели работают исключительно на тяжелом или газообразном топливе.

Важным компонентом в цене дизель-генераторного агрегата является электрический генератор. Для среднеоборотных двигателей с частотой вращения около 750 мин'1 стоимость генератора не превышает 20% стоимости дизеля.

Стационарное использование двухтактных дизельных двигателей позволяет разместить дополнительно с двигателем газовую турбину,

672

использующую выпускные газы двигателя и работающую непосредственно на дополнительный генератор.

В результате этих мероприятий эффективность использования энергии применяемого топлива достигает при электрической нагрузке 50,0%, а при электрической и теплофикационной нагрузке 87,0%.

Для энергетических установок, использующих дизельные двигатели, главными факторами, оказывающими воздействие на окружающую среду, являются акустический шум, вибрация и вредные выбросы с отработавшими газами. Вопросы, связанные с воздушные шумом и вибрацией, к настоящему моменту достаточно изучены и поддаются снижению за счет применения шумопоглощающих, демпфирующих и уравновешивающих устройств.

Двухтактные малооборотные дизельные двигатели обладают в настоящий момент самым высоким коэффициентом полезного действия по сравнению с другими тепловыми машинами. Термический КПД МОД близок или превышает 50%, в то время как у газовых и паровых турбин КПД в этом диапазоне не превышает 35%. Возможность использования энергии отработавших газов и тепла системы охлаждения в качестве дополнительного источника тепла повышают общую долю использования энергии сжигаемого топлива до 87,0%. Топливом для малооборотных дизельных двигателей могут служить любые тяжелые сорта нефтяных топлив, а также природный газ.

Экологическая чистота дизельных электростанций превышает все существующие. Для них не требуется устройство специальных водоемов, емкостей или контейнеров для хранения отработанных материалов. Нейтрализация вредных компонентов выпускных газов достаточно эффективна. В связи с невысокой частотой вращения коленчатого вала двигателя электростанции имеют низкий уровень шума и вибрации.

Работа выполнена под руководством доц. каф. «Тепловые двигатели» Е.В. Дмитриевского

С.И. Десятский НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ГПА-16

ПРИ РАЗЛИЧНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Объект исследования: Работа газотурбинной установки ГПА-16 при различных климатических условиях.

Результаты, полученные лично автором: характеристики ГПА-16 при различных климатических условиях; произведен анализ влияния температуры окружающего воздуха на характеристики мощности и экономичности ГПА-16.

Одна из особенностей ГТУ – высокая чувствительность её характеристик к изменению параметров наружного воздуха. Анализу влияния давления и температуры воздуха перед компрессором на работу ГТУ

673

уделяется особое внимание. Ниже представлен приближенный метод расчёта основных показателей ГТУ при изменении параметров наружного воздуха.

Продуктивная работа газовой турбины во многом зависит от эффективности компрессора. Работа, затрачиваемая на сжатие воздуха в компрессоре, есть техническая работа, определяемая выражением

lk dp . Очевидно, что она будет тем меньше, чем меньше удельный

объем сжимаемого воздуха, который, в свою очередь, определяется внешней температурой.

Ниже приводятся результаты натурных испытаний ГПА – 16 в широком диапазоне температур воздуха на всасе в компрессор (Рис. 1).

Рис 1. Рабочие характеристики ГПА 16

На рисунках 2,3 представлены результаты обработки данных, на которых видно, что результаты совпадают с теоретическими зависимостями.

674

Рис. 2 Зависимость мощности турбины от температуры окружающего воздуха

ɳ

Рис 3. Зависимость кпд турбины от температуры окружающего воздуха

Анализируя данные графиков можно сделать вывод, что с уменьшением температуры окружающего воздуха, при постоянных значениях параметров относительной влажности и давления атмосферного воздуха, мощность установки увеличивается. Стоит отметить, что данная зависимость не совсем линейна так, например, от + 35 до -25 ˚С наблюдается стабильное повышение как мощности, так и К.П.Д. но при -35˚С и при дальнейшем понижении температуры окружающего воздуха происходит понижение К.П.Д и вырабатываемой мощности. Данное явление обусловлено обледенением мелкодисперсных капель влаги, которые содержатся в воздухе.

С увеличением температуры окружающего воздуха, мощность, вырабатываемая турбиной, снижается. Причиной этому является увеличение броуновского движения с ростом температуры и как следствие увеличение усилий на сжатие воздуха в компрессоре.

Работа выполнена под руководством доц. каф. «Тепловые двигатели» Шкодина В.М.

А.В. Дзогий АНАЛИЗ БЕСШАТУННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ БАЛАНДИНА

Объект исследования: бесшатунные двигатели внутреннего сгорания конструкции С.С. Баландина

Результаты, полученные лично автором: выявлены преимущества и недостатки бесшатунных двигателей внутреннего сгорания конструкции С.С. Баландина перед традиционными двигателями внутреннего сгорания

В 40-е годы 20-го века специальным конструкторским бюро во главе с Сергеем Степановичем Баландиным были разработаны поршневые моторы, равные турбовинтовым по мощности, габаритам и весу, к тому же более

675

экономичные. И только бесспорность предстоящего перехода всей авиации на реактивную тягу заставила тогда свернуть работы СКБ С. С. Баландина.

Но такие двигатели могут найти применение не только в авиации. В моторах С.С. Баландина применены оригинальные системы разгрузки, смазки и охлаждения поршней. Это приводит к тому, что поршни практически не изнашиваются. Износ шеек коленчатого вала также снижается в 3...4 раза, потому что на них передается всего лишь разность сил от противолежащих цилиндров, в то время как в обычных двигателях внутреннего сгорания вся сила давления газов на поршни.

Пониженные нагрузки на скользящие детали приводят к 3...4-кратному снижению потерь на трение. Механический КПД моторов Баландина равен 94%, снижаются габариты моторов, литровая мощность первых же двигателей Баландина в 1,5 раза превзошла рубеж в 100 лс/л.

Пока только в этих моторах удалось конструктивно просто реализовать двухсторонний рабочий процесс в цилиндрах и таким путем почти в два раза повысить мощность двигателя без существенного увеличения его габаритов (они лишь немного увеличиваются из-за удлинения штоков). На этих двигателях при большой мощности применимо золотниковое газораспределение, в результате чего были упорядочены фазы газораспределения, нарушавшиеся в традиционных двигателях из-за огромных нагрузок на клапанные механизмы. Только в этих моторах может быть достигнута средняя скорость поршня до 80 м/с. Эффективная мощность таких моторов в 5...6 раз (а при двойном действии в 10 раз) выше мощности шатунных двигателей тех же габаритов и веса. Скорость поршня ограничена диапазоном до 100 м/с, но это не предел.

Никому в мире не удалось еще создать обычный поршневой авиационный двигатель мощностью более 6000 лс. Ограничение накладывал все тот же кривошипно-шатунный механизм (КШМ). Под руководством С.С. Баландина строился авиационный двигатель мощностью 10000 лс, весом менее 3,5 т; был разработан бесшатунный авиадизель мощностью 20000 лс. Для сравнения: спроектированный фирмой «Лайкоминг» (США) авиационный поршневой мотор XR-7755 мощностью 5000 лс имел 36 цилиндров и гораздо худшие характеристики. Но рост средней скорости – это рост частоты вращения, рост инерционных нагрузок, вибраций.

Нельзя не заметить, что осциллограммы вибраций самых мощных образцов двигателей Баландина, снятые в трех осях, кажутся неправдоподобными. Амплитуды – всего 0,05...0,1 мм. Даже наиспокойнейшие турбины зачастую обладают менее уравновешенным характером.

Удельный расход топлива у двигателей Баландина в среднем на 10% ниже, чем у шатунных. Отключая подачу топлива в один или несколько рядов цилиндров, можно заставить двигатель работать с высокой и практически постоянной экономичностью на режимах от 0,25 до номинальной мощности. Режиму работы на частичных нагрузках – а это основной и, как ни странно, наименее изученный режим подавляющего

676

большинства двигателей – в последнее время уделяется большое внимание. Ведь обычный двигатель хорош лишь в узком диапазоне мощности и частоты вращения. Немного в сторону – и все его характеристики ухудшаются. Кроме того, экспериментально установлено, что удельный расход топлива в моторах С.С. Баландина можно снизить еще минимум на 10% применением цикла с удлиненным расширением, т. е. с более длинным рабочим ходом поршня. Цикл этот не выгоден в обычных двигателях, так как приходится резко увеличивать их габариты. В бесшатунных же двигателях требуемое увеличение габаритов ровно вдвое меньше.

Если говорить об экономической стороне вопроса, то можно сказать, что производство опытных образцов моторов С.С. Баландина было в среднем в 1,6 раза дешевле производства равных по мощности обычных поршневых двигателей, причем серийных.

Работа выполнена под руководством доц. каф. «Тепловые двигатели» Е.В. Дмитриевского

А.В. Дзогий АНАЛИЗ ЗАВИСИМОСТИ ТАНГЕНЦИАЛЬНОЙ СИЛЫ

ПОРШНЕВОГО ДВС ОТ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

Объект исследования: кривошипно-шатунный механизм поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Результаты, полученные лично автором: построен чертеж кривошипно-шатунного механизма, рассчитаны потери силы давления газов Pг в кривошипно-шатунном механизме.

Традиционным механизмом, преобразующим в ДВС возвратнопоступательное движение поршня во вращательное движение, является кривошипно-шатунный механизм. Наиболее распространен центральный КШМ, в котором крутящий момент на валу двигателя создается тангенциальной силой T:

,

где P– суммарная сила, действующая в КШМ; α и β – углы поворота кривошипа и отклонения оси шатуна от оси цилиндра соответственно.

По величине T определяется крутящий момент одного цилиндра:

M=T*R,

где R – радиус кривошипа.

Обозначим тригонометрическую составляющую данных выражения как ϕsc. Эта составляющая определяет величину потерь мощности в двигателе за счет преобразования возвратнопоступательного движения во вращательное в кривошипношатунном механизме. Для того, чтобы точно определить величину потерь в

677

каждом двигателе, нужно знать данную составляющую. Поскольку в него входят углы α (угол поворота кривошипа)и β (угол отклонения шатуна от оси цилиндра), то можно предположить, что она будет зависеть от конструктивных параметров двигателя и для каждого двигателя будет различной.

Для проверки данной гипотезы были взяты несколько двигателей различной конструкции и различных сфер применения – автотракторные и судовые, а именно:

-судовые: ДБ-34, ДБ-42, ДБ-44, ДБ-46, ДБ-53, ДБ-54, ДБ-62, Д49-V-20 ЧН 26/26, 6ЧН 15/18

-тепловозные: V-8ЧН 21/21

-автотракторные: ЯМЗ-740 V-8Ч 12/12, ЗИЛ-130 V-8Ч 10,8/9,5.

Для того, чтобы измерить угол β при каждом соответствующем ему углу α была построена модель кривошипа для каждого из рассматриваемых двигателей.

На рисунке представлен график, показывающий зависимость P(серая линия) и ϕsc(красная линия) от угла поворота кривошипа.

кривошипа и найти угол β, что и было сделано для каждого исследуемого двигателя. По полученным

данным была рассчитана средняя составляющая ϕscдля каждого исследуемого двигателя. В результате были получены данные, представленные в таблице ниже.

Из полученных данных следует, что величина ϕsc для КШМ является переменной по углу поворота кривошипа, а ее среднее значение для рабочего хода составляет примерно 0.602 независимо от конструкции КШМ.

678

Вблизи верхней мертвой точки суммарная сила P максимальна, а величина ϕsc близка к нулю; и наоборот, при наибольшем значении величины ϕsc суммарная сила P минимальна. Следовательно, только около 60.2% суммарной силы P преобразуется кривошипно-шатунным механизмом в крутящий момент на валу двигателя.

Следовательно, в КШМ теоретически теряется примерно 40 % силы, создающей крутящий момент, а значит, и мощности, которую можно реализовать путем применения более эффективного приводного механизма.

Работа выполнена под руководством ст.преп. каф «Тепловые двигатели» С.А. Киселева

В.В. Жакулин, гр. 13-ЭМ2 ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗДЕЛЕННОГО ЦИКЛА ДВС

Объект исследования: двигатели внутреннего сгорания с разделением цикла.

Результаты, полученные лично автором: проведены исследования в области двигателей с разделением цикла.

Принцип разделения цикла ДВС использовался в двигателях Кушуля, Скудери, Тайца-Старокожева. Двигатели с идеологией разделенного цикла, при которой разделение функций цилиндров позволяет более эффективно использовать каждый из них, например, увеличить ход рабочего поршня и длительность сгорания топлива, не превышая допустимой степени сжатия топлива. Зажигание смеси происходит после того, как рабочий поршень начинает двигаться вниз, в отличие от обычного двигателя с опережением зажигания. Расчеты показывают, что разделение цикла дает гораздо более

679

основном заканчивается, давление сжатия в цилиндре 2 начинает превышать давление сгорания, и начинается поступление сжатого воздуха из цилиндра 2

вцилиндр 1, это соответствует началу второй фазы сгорания.

Кмоменту прихода поршня цилиндра 2 в ВМТ сгорание полностью заканчивается и заканчивается вторая фаза сгорания.

Двигатель Скудери. Более современным двигателем с разделением цикла является двигатель Скудери. По принципу действия он практически аналогичен двигателю Кушуля. В разработке Скудери один цилиндр предназначен для впуска и сжатия, другой – для рабочего такта и выпуска

отработанных газов. Цилиндры соединяются между собой каналами

склапанным или золотниковым механизмом,

Вдвигателе Скудери рабочий ход происходит на каждом обороте коленчатого вала. Зажигание смеси происходит после того, как рабочий поршень начинает двигаться вниз.

сжатие воздуха в пневматическом аккумуляторе-ресивере происходит во время торможения автомобиля, т.е. двигатель от сцепления отключать не надо. Поршень, который осуществляет рабочий ход, выключается, а воздух поступает в специальный баллон, где аккумулируется (получается своеобразная система рекуперации энергии). Когда поршень рабочего хода начинает работать снова, уже сжатый воздух поступает в него из баллона, а цилиндр сжатия отключается.

Двигатель Тайца-Старокожева. Данный двигатель является роторнопоршневым. Конструктивно он состоит из следующих основных элементов двух блоков (блока всасывания-сжатия и блока сгорания-выпуска), двух подпружиненных двухсекционных раздвижных роторов и вала.

При вращении роторов в блоках образуются четыре камеры: камера всасывания, камера сжатия - в блоке всасывания; камера сгорания (рабочего хода), камера выпуска - в блоке сгорания.

Свежая рабочая смесь, поступившая в блок всасывания-сжатия, сжимается ротором. При повороте роторов не доходя до их горизонтального положения, начинается перепуск рабочей смеси. Сжатая рабочая смесь через отверстие в межблочной перегородке перепускается из камеры сжатия (блока всасывания) в камеру сгорания (блока сгорания).

После окончания перепуска происходит подача высокого напряжения на свечу зажигания в камеру сгорания, от искры происходит воспламенение рабочей смеси и дальнейшее расширение рабочего тела (совершается рабочий ход).

Далее в статоре открывается выпускное отверстие, и происходит процесс выпуска отработавших газов. В течение одного оборота вала в блоках двигателя совершаются 2 полных элементарных цикла (циклы включают процессы всасывания, сжатия, перепуска, сгорания/рабочего хода и выпуска).

680

Таким образом, двигатели с разделением цикла обеспечивают гораздо более высокую степень сжатия рабочей смеси и быстрое и полное ее сгорание, при этом коренным образом изменен сам рабочий процесс так, чтобы «дожигание» и разложение вредных частей выхлопа происходили в самом рабочем цилиндре, что снижает образование вредных веществ при сжигании топлива.

Работа выполнена под руководством доц. каф. «Тепловые двигатели» Е. В. Дмитриевского

Заричный А.Ф.

ОСНОВНЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

Объект исследования: определение причин отказов; выявление деталей, ограничивающих надежность; оптимизация норм расхода запасных частей и системы планово-предупредительных ремонтов; выявление условий и режимов эксплуатации, влияющих на надежность.

Результат, полученный лично автором: своевременный ремонт, выполненный в соответствии с требованиями нормативно-технической документации и результатами диагностики, обеспечивает надежную работу оборудования.

Анализ отказов проводился на основе актов расследования отказов и других форм отчетности более чем 800 паротурбинных установок мощностью от 100 до 800 МВт разных типов и разных заводовизготовителей. Наибольшее число отказов приходится на повреждения систем регулирования и повреждения подшипников.

Наибольшее число повреждений приходится на долю рабочих лопаток (46,8 %). Повреждаемость вала ротора составляет 17 %; при этом 75 % повреждений вала ротора – это прогиб вала, который обычно сопровождается задеваниями в проточной части и повреждением гребней концевых уплотнений. Наиболее частыми причинами прогиба ротора в анализируемых отказах были задевания ротора о неподвижные части вследствие коробления цилиндра при попадании влаги, значительных расцентровок, малых зазоров в уплотнениях, повышенного уровня вибрации; в 30 % случаев причина прогиба вала – заброс воды в проточную часть. Кроме того, характерным повреждением для роторов является образование трещин вала со стороны осевого канала, что, как правило, определяется усталостью металла.

Обрыв рабочих лопаток практически всегда сопровождаются заметными изменениями в состоянии турбины. В большинстве случаев (62 %) происходит изменение вибрационного состояния турбины. Кроме того, в 14 % случаев повреждения рабочих лопаток сопровождаются шумом в проточной части. Еще одним распространенным признаком (до 10 % случаев) обрыва в основном лопаток части низкого давления является увеличение жесткости конденсата. В 14 % случаев останова турбин с поврежденными рабочими лопатками наблюдается сокращение времени