Механический наддув;

Газотурбинный наддув;

Комбинированный.

1.1. Механический наддув

При механическом наддуве компрессор приводиться во вращение от коленчатого вала дизеля. На привод компрессора расходуется часть мощности дизеля. Энергия выпускных газов не используется (рис.1.1). В качестве компрессора может быть использован центробежный или роторный нагнетатель (рис.1.2).

С повышением давления наддува Рв затраты мощности на привод надувочного агрегата увеличиваются. Этот способ наддува имеет ограниченное применение (при Рв = 0,13 – 0,25 МПа), так как затраты мощности на его обеспечение приводят к снижению механического КПД двигателя и увеличению эффективного расхода топлива. При больших Рв механический наддув применяется главным образом в качестве первой или второй ступени комбинированного наддува.

Рис. 1.1 Принципиальная схема дизеля с механическим наддувом

Д – дизель; К – компрессор; ВОХ – охладитель воздуха;

Ро То – давление и температура перед компрессором;

Рв Тв - давление и температура воздуха за компрессором;

Ркц Ткц - давление и температура воздуха за воздухоохладителем.

При механическом наддуве и постоянной частоте вращения коленчатого вала воздуха поступает одинаковое количество, не зависимо от нагрузки дизеля.

Рис. 1.2 Ротативный нагнетатель воздуха в двухтактном дизеле с прямоточно-клапанной продувкой (источник Канне А.Б.)

1 – выпускной клапан; 2 – крышка цилиндра; 3 – втулка цилиндра;

4 – нагнетатель; 5 – впускные продувочные окна; 6 – поршень.

Механический наддув имеет недостатки, ограничивающие его применение:

1. Большие затраты мощности на привод компрессора, они увеличиваются с ростом Рв;

2. Малые допустимые значения давления наддува Рв = 0,13 – 0,25 МПа;

3. Повышенный расход топлива;

4. Снижение механического КПД с увеличением Рв.

Механический наддув применяется как на 4-тактных, так и на 2-тактных дизелях мощностью до 2208 кВт (3000 л.с.)

Преимущества:

1. Возможность применения наддува на малых нагрузках;

2. Простота конструкции;

3. Относительно небольшая стоимость.

1.2. Газотурбинный наддув

Наиболее широкое применение в дизелестроении нашел газотурбинный наддув, в котором использование энергии выпускных газов в турбине позволяет в значительной мере компенсировать затраты на привод центробежного компрессора, а иногда даже получить избыточную мощность, отдаваемую на вал дизеля.

Воздух в компрессоре сжимается до заданного Рв давления наддува и поступает в ресивер надувочного воздуха или в воздухоохладитель, а затем в цилиндры дизеля. С повышением нагрузки дизеля возрастает количество выпускных газов, что ведет к увеличению скорости их истечения на лопатки турбины и частоты вращения компрессора. Частота вращения турбины может быть в пределах от 6 тыс. до 30 тыс. об/мин (мин ˉ¹).

Использование ГТНА в сочетании с охлаждением воздуха позволяет довести механический КПД дизеля до ηm = 0,9 – 0,92 при эффективном удельном расходе топлива be = 160 – 175 г/(кВт·ч), таким образом обеспечивается высокая экономичность двигателя.

В настоящее время на судах применяются дизели с газотурбинным наддувом:

1. С постоянным давлением газа перед турбиной, при котором дизель имеет неразделенный выпускной коллектор и общий подвод газа к турбине (выпускные газы из всех цилиндров направляются по единому выпускному коллектору большого объема к соплам газовой турбины, которая монтируется в конце выпускного коллектора);

2. С переменным давлением газа - и мпульсный (на дизеле установлен разделенный выпускной коллектор с парциальным подводом газа из каждой секции коллектора в сопловый аппарат турбины, т.е. выпускной коллектор разделен на отдельные ветви, которые объединяют от двух до четырех цилиндров для подвода газа к импульсной турбине).

3. Комбинированный, совмещающий преимущества постоянного и переменного (импульсного) давления выпускных газов и основанный на применение коллекторов с эжекторами – преобразователями импульсов давления.

Далее подробно будут рассмотрены преимущества и недостатки перечисленных способов подвода газа к газовым турбинам.

Наиболее распространение получили следующие конструктивные схемы газотурбинного наддува:

- дизель с подключенным турбокомпрессором (ПТК);

- дизель со свободным турбокомпрессором (СТК).

Дизель с подключенным турбокомпрессором (ПТК). Схема дизеля с ПТК показана на рис 1.3.

Отработавшие в цилиндре газы поступают в газовую турбину, связанную с компрессором одним валом. Турбокомпрессор через редуктор и гидравлическую муфту связан с коленчатым валом. Благодаря кинематической связи турбокомпрессора (ТК) с валом дизеля частота вращения ТК сохраняется практически пропорциональной частоте вращения коленчатого вала на всех режимах работы: nк = i ×nд (i – передаточное отношение в зубчатой передаче).

Рис. 1.3 Принципиальная схема дизеля с ПТК

Д – дизель; ГМ – гидравлическая муфта; Т – турбина; К – компрессор;

ВОХ – охладитель воздуха;

Рг; Тг – давление и температура газов; Ро; То – давление и температура воздуха перед компрессором; Рв; Тв - давление и температура воздуха за компрессором; ΔРох; ΔТох – потеря давления воздухоохладителя и охлаждение воздуха; Ркц; Ткц - давление и температура воздуха перед цилиндрами

Схемы с ПТК нашли широкое применение на 4- и 2-тактных дизелях (типа М-504, 68 и др.)

Преимущества дизеля с ПТК:

1. Для 4-тактного дизеля открывается возможность передачи избыточной мощности турбины на коленчатый вал, что приводит к уменьшению механических потерь и росту экономичности дизеля при больших нагрузках;

2. В 2-тактном дизеле обеспечивается устойчивый газообмен для сравнительно широкого диапазона режима работы;

3. Уменьшается чувствительность двигателя к изменению противодавления за турбиной;

4. Улучшается приемистость дизеля к пиковым возрастаниям нагрузки, так как при малых нагрузках давление наддува остается высокими и имеется запас по коэффициенту избытка воздуха. Резкое увеличение подачи топлива не приводит к чрезмерному уменьшению ηi и α.

Недостатки:

1. Конструктивное усложнение схемы из-за зубчатой передачи и встроенных эластичных элементов;

2. Значительное ухудшение экономичности дизеля на сниженных нагрузках из-за уменьшения мощности турбины, что приводит к росту механических потерь Nм = Nтр + Nк – Nт – Nнх; т.к. Nк > Nт.

3. Некоторое снижение индикаторного КПД из-за чрезмерного возрастания коэффициента избытка воздуха α на малых нагрузках (6 – 8).

Дизель со свободным турбокомпрессором (СТК). Принципиальная схема показана на рис. 1.4. Здесь между поршневой частью и ТК существует только газовая связь. Поэтому частота вращения ротора ТК и давление надувочного воздуха Ркц зависит не только от частоты вращения, но и от нагрузки на валу поршнего двигателя, а также от давления воздуха перед компрессором, противодавления газа за турбиной и от ряда других факторов, меняющихся в процессе эксплуатации.

Схема нашла применение преимущественно на 4-тактных дизелях (двигатели типа Д-42, М-401, 3Д6Н и др.) и значительно реже используется в 2-тактных дизелях. Причина состоит в том, что для дизелей с СТК отношение Рг/Ркц (давление газа и давление продувочного воздуха после охладителя) меняется в зависимости от режима эксплуатации значительно существеннее, чем для дизелей с ПТК. В 4-тактных дизелях отсутствие продувки не вызывает прекращение газообмена и двигатель может работать при Рг>Ркц. В 2-тактном дизеле рост отношения Рг/Ркц сверх определенного предела приводит к прекращению газообмена и остановке дизеля.

Преимущества дизеля с СТК:

1. Мощность механических потерь на малых нагрузках из-за отсутствия в ТК отрицательного небаланса мощности, отбираемой от вала дизеля, меньше, чем в дизеле с ПТК: Nм = Nтр – Nнх; т.к. Nк = Nт

2. Лучшая приспособленность дизеля к нагрузке по коэффициенту избытка воздуха: снижение нагрузки и цикловой подачи топлива сопровождается уменьшением мощности турбины, из-за чего частота вращения ТК и давление наддува Ркц уменьшаются, что не приводит к чрезмерному увеличению коэффициента избытка воздуха α и уменьшению ηi.

Недостатки:

1. Трудности использования схемы в 2-тактных дизелях из-за отсутствия гарантированной продувки цилиндров на малых нагрузках, при повышенном противодавлении за турбиной и в случае уменьшения КПД ТК вследствие ухудшения технического состояния проточных частей агрегатов наддува.

2. Худшая приемистость двигателя к резким набросам нагрузки из-за инерционности ротора ТК, сравнительно медленно набирающего частоту вращения.

Рис. 1.4 Принципиальная схема дизеля с СТК

Д – дизель; Т – турбина; К – компрессор;

ВОХ – охладитель воздуха;

Рг; Тг – давление и температура газов; Ро; То – давление и температура воздуха перед компрессором; Рв; Тв - давление и температура воздуха за компрессором; ΔРох; ΔТох – потеря давления воздухоохладителя и охлаждение воздуха; Ркц; Ткц - давление и температура воздуха перед цилиндрами

1.3. Комбинированный наддув

Комбинированный наддув осуществляется посредством совместной работы ГТН и устройств, использующих дополнительный источник энергии (рис. 1.5).

Комбинированный наддув имеет несколько схем:

- последовательная схема:

а) с двухступенчатой подачей воздуха – осуществляется с помощью ГТН и продувочного насоса с приводом от коленчатого вала, последовательно работающих на общий ресивер.

После сжатия в нагнетателе (первая ступень наддува) воздух охлаждается в холодильнике и направляется в поршневой или ротативный насос (вторая ступень).

В качестве насосов поршневого типа иногда применяются подпоршневые полости рабочих цилиндров.

б) с последовательным использованием подпоршневых полостей дизеля. В этой схеме первую ступень выполняет турбокомпрессор, а вторую – поршневые насосы, навешенные на цилиндры.

- параллельная схема

Основной поток воздуха направляется в ресивер после ГТН с последующим его охлаждением в холодильнике, а дополнительная подача воздуха происходит из попоршневого пространства рабочего цилиндра или от насоса поршневого или ротативного типа, приводом которых может быть коленчатый вал дизеля или электродвигатель.

- последовательно-параллельная схема наддува обеспечивается работой турбокомпрессора и других источников подачи воздуха и последовательно и параллельно (такая схема активно применяется на дизелях фирмы МАН).

Рис. 1.5 Схемы над­дува судовых ДВС: а - газотурбинный наддув; б - комбинированный наддув

К — компрессор; Т — тур­бина; X — воздухоохлади­тель; 1 — цилиндр двига­теля; 2 — ресивер продувочнонаддувочного возду­ха; 3 — впускные окна или клапан; 4 — подпоршневые полости

1.4. Особенности наддува двухтактных дизелей

Практически все современные двухтактные дизели оснащены наддувом. В цилиндры нагнетается надувочный воздух под давлением 0,11 – 0,19 МПа. Это объясняется значительным увеличением затрат мощности на привод компрессора и потерей энергии с выпуском.

В двухтактных дизелях выпускные газы удаляются из рабочего цилиндра принудительно с помощью продувочного воздуха, поступающего в цилиндр, поэтому в них происходит потеря части воздушного заряда через выпускные окна, снижение тепловой энергии выпускных газов, направляемых в газотурбонагнетатель, из-за перемешивания их с воздухом.

Температура выпускных газов в двухтактных двигателях составляет 573 – 623К (300 – 350ºC), а в четырехтактных от 673 до 823К (400 – 550ºC), что объясняется смешиванием продуктов сгорания с холодным наддувочным воздухом у двухтактных дизелей. Средняя же температура газов за цикл у двухтактных дизелей всегда выше, чем у четырехтактных вследствие удвоения числа рабочих циклов при равенстве числа оборотов КВ за одно и тоже время.

Турбины постоянного давления первоначально не обеспечивали пуск дизеля, малый ход и маневры судна из-за недостатка мощности турбины на этих режимах. Это объясняется тем, что небольшое количество выпускных газов не обеспечивает необходимую мощность турбокомпрессора, особенно при пуске дизеля.

Для восполнения недостатка воздуха на указанных режимах, в том числе во время пуска и реверса, было найдено решение, при котором навешенный на дизель продувочный насос с механическим приводом используется как дополнительная ступень наддува, однако данные схемы не перспективны из ранее приведенных недостатков механического наддува.

Работа двухтактных дизелей судовых установок с повышенными цилиндровыми мощностями обеспечивается в основном за счет применения импульсных газовых турбин. С увеличением давления надувочного воздуха происходит повышение его температуры, что приводит к росту средней температуры цикла и, следовательно, к повышению теплонапряженности втулок и поршней рабочих цилиндров. Для снижения температуры воздуха на 20 – 50ºC на дизель устанавливают воздушные холодильники, что приводит к усложнению его эксплуатации и увеличению массы установки.

В судовых двухтактных дизелях в зависимости от способов газообмена и подвода газа к турбине применяют, как правило, два вида схем наддува: 1. одноступенчатую со СТК; 2. двухступенчатую или комбинированную со СТК и дополнительным приводным компрессором.

Наиболее часто в двухтактных дизелях применяют следующие конструктивные решения:

· Двухступенчатый наддув с помощью газотурбонагнетателя и продувочного насоса с приводом от коленчатого вала, последовательно работающих на общий воздушный ресивер. Воздух после сжатия в ГТНА (первая ступень наддува) охлаждается в ВОХ и направляется в поршневой или ротативный насос (вторая ступень).

· Наддув, при котором происходит параллельная подача воздуха в ресивер; основной поток воздуха подается из турбонагнетателя с последующим его охлаждением в холодильнике, а дополнительная подача воздуха происходит из подпоршневого пространства рабочего цилиндра или от воздушного продувочного насоса поршневого или ротативного типа.

· Последовательно-параллельный наддув, в котором используется одновременная работа турбокомпрессоров, навешенных на двигатель, и попоршневых полостей цилиндров. Одна часть подпоршневых полостей работает с турбокомпрессорами последовательно, а другая параллельно.

Осуществление наддува в двухтактных дизелях связано с определенными техническими трудностями. На ДВС с достаточно большими мощностями применяют комбинированную схему наддува.

Глава 2

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: