Файл: Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания..pdf

растающую до максимума нагрузку. Для транспортных машин важно, чтобы двигатель мог быстро развивать большой крутя­ щий момент при переменной частоте вращения его вала. Иссле­ дования показывают, что переходный процесс в дизеле без тур­ бонаддува в несколько раз (в отдельных случаях приблизитель­ но в 5 раз) короче, чем в современном комбинированном двигателе. Это предопределяется влиянием элементов системы воздухоснабжения (коллекторов, агрегатов воздухоподачи, реси­

достигающее 12% при резком увеличении нагрузки от 0 до 80%, недопустимо для многих электрических установок. Поэтому в последнее время улучшению регулирования скорости комбини­ рованного двигателя с электрогенератором уделяется большое внимание.

Известно, что одним из возможных способов повышения прие­ мистости комбинированного двигателя является введение меха­ нической или гидравлической связи между коленчатым валом поршневой части и компрессорами (или турбокомпрессорами). Однако в этом случае обычно ухудшается топливная экономич­ ность комбинированного двигателя на всех (исключая номиналь­ ный) режимах и увеличиваются размеры и масса двигателя.

К- п. д. турбокомпрессора, механически не связанного с ко­ ленчатым валом, на большинстве режимов выше, чем в двигате­ лях, имеющих механическую связь вала поршневой части с ва­ лом ТК. Объясняется это тем, что в турбокомпрессорах с газовой связью автоматически устанавливается оптимальное или близкое к нему соотношение между окружной скоростью рабочего коле­

13

са турбины и абсолютной скоростью, газов. При механической связи такое соотношение устанавливается только на расчетном режиме работы. Кроме того, относительно большие масса и мо­ мент инерции ротора ТК обусловливают необходимость создания сравнительно мощной передачи с большим передаточным отно­ шением и, следовательно, с увеличенными нагрузками на меха­ низм, особенно во время неустановившихся и переходных про­ цессов.

Теоретические и экспериментальные исследования показыва­ ют, что независимо от степени форсирования для всех комбини­ рованных двигателей с газовой связью секундный расход возду­ ха уменьшается быстрее уменьшения частоты вращения колен­ чатого вала; при этом чем выше форсирование двигателя по ре на номинальном режиме, тем больше градиент падения расхода воздуха при снижении частоты вращения. Поэтому для поддер­ жания постоянного или хотя бы минимально допустимого по условиям теплонапряженности или протекания сгорания значе­ ния коэффициента избытка воздуха при отклонении частоты вращения вала от номинального приходится уменьшать цикло­ вую подачу топлива (а следовательно, и среднее эффективное давление) или применять специальное регулирование агрегатов, воздухоснабжения для обеспечения подачи необходимого коли­ чества воздуха. В противном случае диапазон изменения часто­ ты вращения вала, в котором может работать двигатель надеж­ но, недопустимо суживается.

Работа двигателя зависит от схемы связи между его отдель­ ными элементами.

Принципиальной особенностью протекания рабочего процесса в комбинированных двигателях^; газовой связью является равенство частот вращения и мощности турбины и компрессора

это обеспечивает получение высокого к. п. д. турбокомпрессора. Факторы, обусловливающие протекание рабочего процесса в отдельных звеньях и в комбинированном двигателе с механи­

ческой связью, следующие:

«жесткая» связь между частотами вращения валов: пк = ік п;. пт= hn и, если колеса турбины и компрессора расположены на одном валу, то пк = пт= птк\ ік = іт= ітк и пТк = іткп, где

ік, іт и іТк — передаточные отношения передач соответственно между валами компрессора, турбины, турбокомпрессора и валом поршневой части;

одинаковый расход воздуха через компрессор и двигатель и газов через двигатель и турбину (утечками рабочего тела мож­ но пренебречь);

полные давления на выходе из компрессора и на входе в поршневую часть отличаются лишь на величину потерь в охла­ дителях и трубопроводах;

14

полные давления газа на выпуске из поршневой части и на входе в турбину отличаются на величину потерь в трубопро­ водах;

расход газа через турбину больше расхода воздуха через компрессор на величину расхода топлива.

Принципиальные особенности работы составляющих элемен­ тов двигателей с комбинированной связью зависят от схемы при­ соединения компрессоров.

При параллельной подаче воздуха компрессорами их степе­ ни повышения давления одинаковы, а расход воздуха через дви­ гатель равен сумме расходов воздуха через компрессоры.

При последовательном сжатии воздуха в компрессорах рас­ ход воздуха через двигатель и каждый из компрессоров одина­ ков. Общая степень повышения давления в этом случае равна произведению степеней повышения давления во всех компрес­ сорах.

В двигателях с комбинированной связью расход газа через двигатель и турбину одинаков, а частота вращения вала привод­ ного компрессора пропорциональна частоте вращения вала поршневой части.

Характерными условиями протекания рабочего процесса со­ ставляющих элементов поршневого генератора газов с газовой турбиной являются одинаковый расход воздуха через компрес­ сор и двигатель и газов через двигатель и турбину, равенство давлений воздуха на выходе из компрессора и на входе в ци­

учесть). В комбинированных двигателях со свободно-поршневы­ ми генераторами газов число и величина ходов поршней двига­ теля и компрессора одинаковы.

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ АГРЕГАТОВ ВОЗДУХОСНАБЖЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Условия работы агрегатов воздухоснабжения комбинирован­ ного двигателя имеют свои характерные особенности. Они обу­ словлены требованиями к характеристике и диапазону работы по частоте вращения и мощности комбинированного двигателя внутреннего сгорания, цикличным характером протекания рабо­ чего процесса поршневой части, схемой связи между отдельны­ ми составными элементами двигателя и его конструкцией в целом.

Как указывалось выше, одной из характерных особенностей развития комбинированных двигателей является непрерывный рост среднего эффективного давления, обеспечиваемый в основ­ ном увеличением давления воздуха, подаваемого в цилиндры поршневой части. В связи с этим изменяются диапазон измене­ ния расхода воздуха и закон изменения его подачи в зависимости

15

от режима работы двигателя. Поэтому для устойчивой и эконо­ мичной работы в широком диапазоне изменения режимов дви­ гателя центробежный компрессор часто снабжается специальны­ ми устройствами. Эти устройства служат для регулирования ра­ боты компрессоров форсированных транспортных двигателей с высоким давлением воздуха на входе в поршневую часть и со­ гласования ее режима работы с лопаточными машинами (об этом подробно см. ниже).

Циклическое поступление воздуха в цилиндры двигателя че­ рез периодически открывающиеся впускные органы (клапаны, золотники, окна и т. п.) обусловливает колебания давления в по­ лости нагнетания компрессора. В связи с этим степень повыше­ ния давления и расход воздуха через компрессор изменяются по времени в достаточно широких пределах. Так как вследствие инерции частота вращения колеса практически остается постоян­ ной и равной некоторой средней, то изменяется режим течения воздуха во всех элементах компрессора, отклоняясь от расчет­ ного. Это непрерывно изменяет условия совместной работы эле­ ментов комбинированного двигателя и приводит к уменьшению его к. п. д. Экспериментальные исследования влияния колебания давления на нагнетании на к. п. д. центробежного компрессора двигателя ЯМЗ-238Н показали, что при амплитуде колебаний около 0,005 МН/м2 к. п. д. компрессора уменьшается приблизи­ тельно на 2—3%.

В судовых двухтактных двигателях большой мощности, ис­ пользующих в качестве второй ступени сжатия воздуха поршне­ вые компрессоры или подпоршневые полости (двигатели Фиат, Гетаверкен, Зульцер, МАН и др.), созданию колебаний давления на выходе из центробежного компрессора способствует периоди­ ческий впуск воздуха в поршневой компрессор или в подпорш­ невые полости. Для устранения вредного влияния этих колеба­ ний целесообразно увеличить до возможного объем впускного трубопровода, а также расширить перекрытие фаз выпуска и впуска. Последнее создает условия для продувки цилиндра и делает течение воздуха через компрессор более равномерным.

Через компрессор проходит все количество воздуха, посту­ пающее в цилиндры поршневой части. При отсутствии регули­ рования перепуском воздуха количество воздуха не зависит от схемы связи поршневой части компрессора и газовой турбины. Условия же работы компрессора зависят от типа этой связи.

При механической связи компрессора его частота вращения пропорциональна частоте вращения вала двигателя. При изме­ нении частоты вращения компрессора изменяются условия про­ текания процесса сжатия, что приводит в центробежных ком­ прессорах также к изменению потерь на удар, обусловленных отклонением скорости потока от расчетной.

В комбинированных двигателях с газовой связью компрессо­ ра в составе турбокомпрессора с изменением режима работы

16