Файл: Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания..pdf

частью. По такой схеме выполняются двухтактные двигатели ЮДН 20,7/2 X 25,4 (10Д100), 12ДН23/30 (14Д40) и 16ДН23/30 (11Д45) и др.

Рис. 4. Схема двухтактных комбинированных двигателей с двухступен­ чатым сжатием воздуха:

Разновидностью схем, изображенных на рис. 4, является схе­ ма двухтактного двигателя с двухступенчатым сжатием возду­ ха, в которой осуществляется перепуск воздуха мимо приводного

Рис. 5. Схема с обводом воздуха мимо приводного объемного компрессора:

/ — турбокомпрессор; 2 — холодильник воздуха; 3 — приводной объемный компрессор; 4 — эжектор; 5 — обвод воздуха; 6 — обратный клапан

объемного компрессора (рис. 5). При такой схеме объемная про­ изводительность приводного объемного компрессора может быть значительно меньше объема, описываемого поршнями за едини­

7

цу времени, и определяется только условиями пуска и работы двигателя на малых нагрузках.

Дальнейшим развитием двигателей с механическими связями является создание двигателей с гидромуфтами и гидротрансфор­ маторами, а также с передачами с управляемым передаточным

механической трансмиссии, включающей гидромуфту и две муф­ ты свободного хода. Такая передача позволяет двигателю эко­ номично работать с малой частотой вращения и большим кру­

ших в цилиндрах поршневой машины газов не в одной, а в двух механически не связанных между собой газовых турбинах позво­ ляет улучшить характеристики комбинированного двигателя.

Известны две схемы комбинированных двигателей с силовы­ ми газовыми турбинами. В первой схеме отработавшие в ци­ линдрах поршневой части газы направляются в силовую газовую

8

турбину, а из нее — в турбину, вращающую компрессор. Такая схема использована в комбинированном двигателе 16ЧН 24/27 (типа Д70) (рис. 7).

Вторая схема, в которой отработавшие в цилиндрах газы на­ правляются в газовую турбину привода компрессора, а из нее — в силовую газовую турбину, применена фирмой МАН в комби­ нированном двигателе 6ЧН 30/45.

Двигатели, выполненные по этой схеме, обеспечивают полу­ чение максимальной топливной экономичности на так называе­ мом расчетном режиме работы. Многоступенчатое расширение газов в турбинах позволяет сни­ жать скорости рабочего тела в межлопаточных каналах-и доби­ ваться более высоких к. п. д. тур­ бин. Расчетные исследования по­ казывают, что в комбинирован­ ном двигателе с расположением газовых турбин по первой схеме при снижении частоты вращения коленчатого вала будет снижать­ ся предельно возможное значе­ ние среднего эффективного дав­ ления более резко, чем при рас­ положении газовых турбин во второй схеме.

Известны схемы комбинированного двигателя с парогазовы­ ми, паровыми, воздушными и даже фреоновыми турбинами в си­ стеме воздухоснабжения.

Рабочим телом в парогазовой турбине служит парогазовая смесь, состоящая из отработавших в цилиндрах поршневой ча­ сти газов и пара, получаемого в системе высокотемпературного (испарительного) охлаждения двигателя.

Водяной пар для паровой турбины получается в специальном охладителе выпускной системы или в системе охлаждения дви­ гателя. Используют и пары легкокипящих жидкостей, например фреона. В этом случае в системе воздухоснабжения комбиниро­ ванного двигателя для достижения глубокого охлаждения над­ дувочного воздуха монтируют холодильную установку. В двига­ телях фирмы Купер — Бессемер система воздухоснабжения включает, кроме газовой турбины, также и воздушную турбину, выполняющую функцию турбодетандера и одновременно служа­ щую для привода компрессора второй ступени сжатия воздуха (рис. 8).

Представляет интерес комбинированный двигатель юго-за­ падного научно-исследовательского института (ЮЗНИИ США),

9

состоящий из двухтактной поршневой части с противоположно движущимися поршнями, поршневого компрессора, поршни кото­ рого непосредственно связаны с поршнями двигателя, и силовой газовой турбины, объединенных общим валом съема мощности (рис. 9). Двигатель имеет мощность 735 кВт при частоте враще­ ния 3000 об/мин и удельном расходе топлива 198 г/(кВт-ч).

Комбинированный двигатель, состоящий из свободно-порш­ невого генератора газа (СПГГ) и кинематически не связанной с ним газовой турбины, не получил широкого распространения,

Рис. 9. Схема комбинированного двигателя ЮЗНИИ США:

I — поршневая часть; 2 — поршни компрессора; 3 — зубчатая передача; 4 — механизм управления степенью сжатия поршневой части; 5 — силовая газовая турбина

несмотря на благоприятную для транспортной установки харак­ теристику. Основной причиной этого является худшая по срав­ нению с дизелем экономичность, что является следствием до­ вольно узкого температурного перепада рабочего тела, исполь­ зуемого в СПГГ с газовой турбиной. Если увеличить нагрузку на цилиндры дизеля генератора газа, получая от них энергию не только на привод компрессора, но и для передачи внешнему по­ требителю, то появляется возможность поднять верхний темпе­ ратурный предел рабочего процесса, а следовательно, улучшить и экономичность, не повышая температуру перед газовой тур­ биной.

В заключение следует остановиться на комбинированных дви­ гателях с волновыми обменниками давления. Рабочий процесс в волновых обменниках давления основан на прямом обмене энергией между двумя рабочими телами. В них для сжатия воз­ духа, подаваемого в двигатель, используется энергия отработав­ ших в цилиндрах поршневой части газов [49].

Использование волновых обменников давления позволяет практически снять одно из важных ограничений современных систем воздухоснабжения — уровень температуры на входе в га­

10

зовую турбину. Это объясняется тем, что по каналам волнового обменника давления попеременно движутся горячие выпускные газы и холодный воздух. Кроме того, как показывают результа­ ты испытаний, волновой обменник давления обеспечивает отно­ сительно более высокую приемистость двигателя, малое измене­ ние давления воздуха на впуске при уменьшении частоты вращения коленчатого вала в случае работы по внешней харак­ теристике, а также более высокое значение эффективного к. п. д. двигателя.

Серьезными недостатками волнового обменника давления являются высокий уровень шума, большие габаритные размеры, наличие механического привода и чувствительность к изменению давления на впуске в обменник давления и на выпуске из него.

ВЛИЯНИЕ СХЕМЫ КОМБИНИРОВАННОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ЕГО РАБОТУ

Объединение поршневого двигателя с компрессорами и тур­ бинами обусловило рост тепловой и механической напряженно­ сти двигателя, изменение законов протекания его характери­ стик и возможного диапазона работы. Поршневой двигатель практически потерял универсальность своей характеристики, ко­ торой он обладал до своего объединения с лопаточными маши­ нами.

Анализу изменения тепловой и механической напряженности поршневого двигателя в составе комбинированного и методам их управления посвящены специальные труды [30]. Изменение теп­ ловой и механической напряженности достигается соответствую­ щей организацией рабочего процесса. Поэтому в настоящей ра­ боте они не рассматриваются.

По мере роста давления воздуха на входе в поршневую часть, а следовательно, и среднего эффективного давления из-за огра­ ниченных возможностей расширения рабочего тела в цилиндре поршневого двигателя энергия выпускных газов увеличивается. В то же время затраты энергии на предварительное сжатие воз­ духа растут менее интенсивно. Поэтому целесообразно часть не использованной для предварительного сжатия воздуха энер­ гии передавать на вал двигателя и далее потребителю. Такая передача энергии может осуществляться как с помощью турбин, используемых для привода компрессоров, так и с помощью спе­ циальных силовых турбин. Вследствие того, что в газовой тур­ бине более эффективно, чем в поршневой машине, используется энергия при низких давлениях рабочего тела, то целесообразно в силовой турбине или в турбине ТК комбинированного двигате­ ля использовать не только неиспользованную для предваритель­ ного сжатия воздуха часть энергии выпускаемых из цилиндров газов, но также и некоторую дополнительную часть потенциаль­ ной энергии газов, которая могла бы, вообще говоря, быть ис-

11

пользована в поршневой части комбинированного двигателя. Это можно сделать путем более раннего открытия выпускных орга­ нов поршневой части. Используя этот принцип, можно создавать двигатели с высокой топливной экономичностью и удельной мощ­ ностью на расчетном режиме, а также воздействовать на харак­ теристику комбинированного двигателя.

Как известно, в зависимости от характера использования энергии выпускных газов в турбине различают системы с посто­ янным (иногда называемые изобарными) и с переменным (назы­ ваемые импульсными) давлением перед ней. Использование той или иной системы оказывает заметное влияние на работу ком­ бинированного двигателя и конструкцию его выпускной системы

итурбины, что достаточно подробно уже освещено в литературе.

Вдвигателе с импульсной турбиной среднее давление в вы­

пускной системе ниже, чем в двигателе той же мощности, но с турбиной постоянного давления на входе. В связи с этим умень­ шаются насосные потери и повышается к. п. д. двигателя, а так­ же становится легче организовать продувку цилиндра. Энергети­ ческие преимущества импульсная система использования энергии выпускных газов сохраняет до давлений воздуха на входе в поршневую часть рк ~ (0,25 -к 0,3) МН/м2. Комбинированные двигатели с импульсной системой также лучше работают на не­ установившихся и переходных процессах и на малых нагрузках. Однако пульсирующий поток на входе в турбину обусловливает уменьшение ее к. п. д. и увеличивает колебания лопаток, что требует принятия специальных мер по обеспечению их надежной работы. Для наиболее полного использования преимуществ им­ пульсной системы преобразования энергии выпускных газов не­ обходимо в один выпускной трубопровод (минимально допусти­ мых размеров) отводить отработавшие газы из цилиндров, выпуски из которых не совпадают по фазе, и каждый из таких трубопроводов присоединять к отдельному подводящему патруб­ ку турбины. Это усложняет конструкцию выпускной системы двигателя и турбины.

Стремление устранить недостатки импульсных систем приве­ ло к созданию специальных конструкций выпускных систем дви­ гателей. Одним из таких решений является применение на выпуске из поршневой части преобразователя импульсов, позво­ ляющего с минимальными потерями преобразовывать кинетиче­ скую энергию потока в потенциальную энергию давления. Уста­ новка преобразователя импульсов обеспечивает сохранение низкого статического давления на выпуске из поршневой части (а следовательно, уменьшает потери при газообмене и улучшает очистку) и постоянного давления перед турбиной (что повыша­ ет ее к. п. д. и надежность).

Обычный поршневой двигатель обладает высокой приемисто­ стью, и, работая, например, с электрогенератором при постоян­ ной частоте вращения, может почти мгновенно воспринять воз-

12