Чем охлаждать наддувочный воздух?

Почему надо охлаждать наддувочный воздух, говорилось выше.  Значит, без теплообменника -воздухоохладителя не обойтись.  На  мощных дизелях, таких, как  10Д100, 11Д45, Д49, Д70  и др.,  наддувочный воздух охлаждается водой. Водовоздушные теплообменники   различаются по   конструкции и эффективности теплопередачи.  Но принцип действия их схож. Рассмотрим    принципиальную схему охлаждения наддувочного воздуха на примере дизеля  11Д45А  (рис.   106).

Рис. 105. Схема охлаждения масла с трубчатым водомасляным теплообменником

Водяной  насос    заставляет    воду циркулировать внутри трубок воздухоохладителя, расположенных в шахматном  порядке.  Снаружи оребренные пучки трубок омываются потоком горячего наддувочного воздуха давлением 0,147 - 0,196 МПа  (1,5—2 кгс/см2), поступающего  от  турбонагнетателя (I  ступень    наддува). Наддувочный воздух отдает часть своего тепла воде. Затем охлажденный наддувочный воздух поступает в центробежный    приводной  нагнетатель   (II  ступень  наддува), в котором давление воздуха дополнительно  повышается  еще    на 0,029—0,049  МПа   (0,3—0,5   кгс/см2). Далее сжатый воздух направляется в цилиндры дизеля. А что с водой? Вода, охлаждающая наддувочный   воздух, в свою очередь охлаждается атмосферным  воздухом  в  водяных  секциях, которые  установлены  в  общем холодильнике тепловоза. Нетрудно догадаться, что при таком способе охлаждения наддувочного воздуха несколько увеличивается общая масса тепловоза. Поэтому конструкторы заинтересованы в компактном, относительно легком и в то же время эффективном охладителе наддувочного воздуха. Это тем более важно, что тепловозостроители увеличивают мощность тепловозов в одной секции.

Рис. 106. Схема охлаждения наддувочного воздуха дизеля 11Д45А

Как же упростить задачу и избавиться от водовоздушного холодильника больших размеров? Создатели самого мощного в мире пассажирского тепловоза ТЭП75 [один дизель обладает мощностью 4400 кВт (6000 л. с.)], построенного Коломенским тепловозостроительным заводом, решили эту важную задачу так. Они расположили в кузове тепловоза легкие алюминиевые секции особой конструкции. В этих секциях наддувочный воздух охлаждается не водой, а непосредственно атмосферным воздухом (прогоняемым вентилятором), температура которого значительно ниже температуры наддувочного воздуха. В результате удалось не только снизить массу и уменьшить габариты теплообменника, но и сократить расход энергии на охлаждение наддувочного воздуха дизеля. Опытный тепловоз ТЭП75 сейчас проходит испытания. Вернемся, однако, к обычным тепловозам. Общее представление о «маршруте» воды, охлаждающей наддувочный воздух и масло, дает рис. 107. Приводимый от дизеля (условно это показано штриховой линией) водяной насос нагнетает воду, охлажденную в водяных секциях,  к теплообменнику наддувочного воздуха; охладив этот нагревшийся при сжатии воздух, вода направляется для охлаждения масла. Из водомасляного теплообменника она по трубопроводу проходит в водяные секции холодильника тепловоза. Охлажденная вода снова возвращается к насосу.

Рис. 107. Схема второго контура водяной системы тепловоза

Таким образом, на тепловозах 2ТЭ10Л, 2ТЭ10В, ТЭП60, ТЭП70, 2ТЭ116 имеется также наряду с первым контуром второй отдельный контур. В первом контуре вода отводит тепло от деталей дизеля, а во втором контуре —от наддувочного воздуха и горячего масла (если тепловоз оборудован водомасляным теплообменником). Сама же вода как из первого, так и второго контура охлаждается в водовоздушных секциях холодильника тепловоза. Такая водяная система получила название двухконтурной. Может возникнуть вопрос: зачем понадобился второй контур? Для того чтобы поддерживать в нем более низкую, чем в первом контуре, температуру воды (40 — 65°С). Благодаря этому удается понизить температуру наддувочного воздуха и масла, а значит, повысить надежность работы деталей и узлов тепловозных дизелей. Более глубокое охлаждение наддувочного воздуха позволяет, кроме того, улучшить сгорание топлива в цилиндрах и несколько повысить экономичность тепловозных дизелей.

СХЕМА ВНУТРЕННЕЙ МАСЛЯНОЙ СИСТЕМЫ ДИЗЕЛЯ

В дизеле тепловоза очень много трущихся деталей, совершающих как вращательное, так и поступательное движение. Любопытно, что на преодоление сил трения в современном форсированном дизеле затрачивается примерно пятая часть развиваемой в цилиндрах мощности. Трение называется жидкостным (рис. 108), если между трущимися поверхностями имеется слой смазки, которая не позволяет микроскопическим неровностям деталей задевать друг за друга.

Рис. 108. Схема жидкостного трения

Если слой смазки недостаточен, то он не в состоянии полностью отделить соприкасающиеся поверхности. В этом случае в местах наибольшего сближения их масляная пленка разрывается, и трение становится полусухим. Полусухое трение появляется, например, между шейками коленчатого вала и подшипниками при пуске дизеля, так как при неподвижном состоянии вала масло выдавливается из подшипников. Все трущиеся детали дизеля смазываются во время работы непрерывно. Подача смазки к каждому узлу производится по трубкам, ответвляющимся от основного маслопровода, называемого масляным коллектором. Масло подается к местам трения под давлением в несколько атмосфер. Масляный насос приводится от коленчатого вала через систему зубчатых колес. Масло используется не только для снижения трения в дизеле, но и для охлаждения таких деталей, от которых отводить тепло водой трудно: это поршни, подшипники коленчатого вала и др. После того как масло пройдет через места смазки деталей дизеля и охладит поршни, оно стекает в поддон,   являющийся   сборником    масла. Проследим путь масла внутри дизеля тепловоза 2ТЭ10В (рис. 109).

Рис. 109. Схема циркуляции масла внутри дизеля

Охлажденное масло подается одновременно в нижний масляный коллектор, расположенный в отсеке нижнего коленчатого вала, и в верхний масляный коллектор, размещенный в отсеке верхнего коленчатого вала. Это сделано для того, чтобы равномернее распределить масло между подшипниками верхнего и нижнего коленчатых валов, а также для того, чтобы улучшить охлаждение верхних поршней. От нижнего коллектора дизеля оно подается по трубкам к коренным подшипникам нижнего вала. Отсюда по внутренним каналам вала масло проходит к шатунным подшипникам коленчатого вала. Часть масла поступает к подшипникам верхних головок  шатунов    и    на  охлаждение поршней. Для этого внутри стержня каждого шатуна сделаны сквозные каналы (сверления) от одной головки шатуна до другой. Поступающее из шатуна масло омывает внутреннюю полость поршня, проходя со скоростью до 1 м/с по каналам, сделанным в головке поршня. Смазав детали нижнего шатунно-кривошипного механизма и охладив головки поршней, масло, как уже знает читатель, стекает в поддон, откуда снова засасывается насосом. От верхнего масляного коллектора дизеля масло поступает к деталям верхнего шатунно-кривошипного механизма точно так же, как в отсеке нижнего коленчатого вала. Кроме того, от верхнего коллектора отводится смазка и к подшипникам, кулачковых валов топливных насосов; через просверленные внутри вала внутренние каналы она подводится к остальным подшипникам и приводным шестерням этих валов. Сделаны также отводы к другим трущимся деталям, нуждающимся в смазке: к зубьям конических шестерен вертикальной передачи, подшипникам нижнего и верхнего валов этой передачи. Специальные подводы смазки имеются к приводу насосов и другим узлам. Мы ознакомились с непрерывной подачей смазки под давлением к основным местам трения в дизеле во время его работы. Наряду с этим в тепловозных дизелях отдельные детали смазываются разбрызгиванием. Разбрызгивают масло шатунно-кривошипный механизм, шестерни, приводящие во вращение кулачковые валы топливных насосов, и другие движущиеся детали. При этом образуется масляный туман. Брызги масла попадают на механизм системы управления и шестерни привода регулятора частоты вращения вала дизеля  и  смазывают  их. В виде капель масло, вытекающее из шатунных подшипников коленчатого вала, попадает на стенки втулок цилиндров и смазывает их, образуя масляную пленку.

СХЕМА ВНЕШНЕЙ МАСЛЯНОЙ СИСТЕМЫ  ДИЗЕЛЯ

Ознакомимся с этой схемой (рис. 110) на примере дизеля 10Д100. Горячее масло из поддона (ванны) нагнетается под давлением 0,3—0,6 МПа (3—6 кгс/см2) шестеренным насосом в водомасляный теплообменник. Схема работы масляного насоса ясна из рис. 111. Подача (производительность) его составляет 120 м3/ч при частоте вращения коленчатого вала дизеля 850 об/мин.

Рис. 110. Схема внешней масляной системы дизеля

Охлажденное в теплообменнике масло возвращается в дизель и по внутренней масляной системе поступает ко всем трущимся поверхностям деталей, а также к поршням дизеля для их охлаждения. Масло, прошедшее через дизель, стекает в поддон. Для очистки масла применяются фильтры (о том, как устроены и работают фильтры, мы узнаем в гл. 10). По пути из теплообменника в дизель масло проходит через фильтр грубой очистки. Это основной контур внешней масляной системы. Часть горячего масла (5—6% всей подачи) после насоса отводится не к теплообменнику, а к фильтру тонкой очистки. Очищенное в этом фильтре масло возвращается, как это видно из рисунка, в поддон дизеля.

Рис. 111. Схема работы масляного шестеренного насоса

Есть и дополнительные контуры. Перед пуском дизеля в его масляную систему в течение 90 с (предварительно) нагнетают масло. Почему 90 с? 90 с — время, достаточное для того, чтобы масло дошло до всех трущихся деталей (подшипников и т. п.). Это не только уменьшает их износ, но и облегчает начало вращения (раскрутку) коленчатого вала. При прокачивании масло циркулирует по маршруту: поддон дизеля — маслопрокачивающий насос — невозвратный клапан — фильтр грубой очистки — внутренняя масляная система дизеля — поддон дизеля. Во внешней масляной системе имеется еще контур циркуляции для очистки масла в центробежном фильтре: поддон дизеля — масляный насос центробежного фильтра— разгрузочный (перепускной) клапан— центробежный фильтр — поддон дизеля. Если давление масла после насоса превысит допустимое, разгрузочный клапан откроется и пропустит часть масла в основной контур. На тепловозах имеются также дополнительные контуры, которые обеспечивают подачу масла к вспомогательным механизмам тепловозов: в гидропривод вентилятора холодильника, в передний и задний распределительные редукторы. Масло из них сливается в поддон дизеля. Если по какой-либо причине давление масла, идущего к дизелю, сильно упадет, или масло перегреется, или, что еще хуже, подача его внезапно прекратится,   аварии    не  произойдет, так как масляная система оборудована автоматическими устройствами (реле), которые остановят дизель. Кроме того, за работой системы неотступно следят измерительные приборы.