Схемы систем наддува
Наддув четырехтактных
двигателей. Меньшие (по сравнению с двухтактным двигателем)
удельные расходы воздуха, более высокая температура выпускных газов и наличие
насосных ходов поршня в четырехтактном двигателе облегчают решение задачи
балансирования мощностей турбин и приводимых ими наддувочных агрегатов. Этим объясняется,
что газотурбинный наддув сначала внедрялся в 4-тактных двигателях и лишь по
прошествии нескольких лет начал внедряться в 2-тактных. Сегодня в главных
среднеоборотных двигателях предпочтение отдается наддуву при постоянном
давлении газов перед турбиной, так как эта схема наддува конструктивно проще, а
следовательно, и дешевле. Кроме того, достигается более высокий КПД
газотурбокомпрессора. В двигателях, работающих в условиях быстроменяющихся нагрузок
(дизель-генераторы), предпочтение в силу лучшей приемистости отдается
импульсной схеме наддува. В некоторых четырехтактных двигателях последних
моделей, имеющих импульсную систему наддува, в выпускном тракте устанавливают
преобразователи импульсов (рис. 5.5), способствующие эффективному
преобразованию кинетической энергии газов (импульсной составляющей) в энергию
постоянного потока. В результате такого преобразования давление перед газовой
турбиной выравнивается и последняя практически работает в режиме рт = const, что способствует
повышению ее КПД, а использование энергии импульса увеличивает ее мощность и,
что особенно важно, позволяет обеспечить баланс мощностей турбины и компрессора
на малых нагрузках, начиная с 20%-ной нагрузки до номинальной.
На рис. 5.6а, б приведены
принципиальная схема преобразователя импульсов и кривые изменения давления
газов до преобразователя и за ним. Выпускные газы по патрубкам подводятся к
соплам 2, причем в один трубопровод объединены выпуски из
цилиндров, фазы которых не накладываются одна на другую. В определенный момент
времени импульс давления в одном из трубопроводов достигает максимума.
Достигает максимума также и скорость газа в сопле 2 данного трубопровода, что
приводит к разрежению в другом трубопроводе 1 и облегчает продувку
присоединенного к нему цилиндра. Процесс истечения газов из сопел 2 повторяется
с относительно высокой частотой, поэтому в камере 3 образуется равномерный
поток, обладающий большим запасом кинетической энергии. В диффузоре 4 эта
энергия преобразуется в энергию постоянного давления. Из ресивера 5 газы
поступают в турбину при почти постоянном давлении.
Основные преимущества
использования преобразователей импульсов заключаются в возможности избежать
необходимости установки в многоцилиндровом двигателе нескольких ГТК. Упрощается
конструкция газовыпускной системы, ее монтаж и снижается стоимость двигателя.
Благодаря поступлению газов в турбину под примерно постоянным давлением
снижается уровень вибрации лопаток турбины и повышается надежность их работы.
Преобразователи импульсов позволяют
уменьшить проходное сечение сопел турбины, повысить давление перед ней и ее КПД.
При этом увеличиваются мощность турбины и производительность компрессора.
Для улучшения очистки
цилиндра от продуктов сгорания в четырехтактном двигателе применяют продувку
камеры сгорания путем одновременного открытия на протяжении 90-150° п.к.в.
впускных и выпускных клапанов. Для увеличения эффективности процессов продувки
камеры сгорания и наддува двигателя при импульсном наддуве применяют разделение
выпускного трубопровода на отдельные ветви, чтобы избежать нарушения продувки
отдельных цилиндров и эффективнее использовать энергию выпускных импульсов.
Выпуски из цилиндров группируют таким образом, чтобы получить в отдельных
ветвях выпускного коллектора наибольший сдвиг по времени между волнами
давления, возникающими от выпусков объединяемых цилиндров. Например, в
шестицилиндровом 4-тактном двигателе в одну из ветвей коллектора направляют
выпуск из 1-го, 2-го и 3-го цилиндров, а в другую - из 4-го, 5-го и 6-го
цилиндров; порядок вспышек при этом 1-5-3-6-2-4. При угле заклинивания колен Δϕ= 120° сдвиг фаз между волнами давлений будет
равен 240°, что полностью обеспечивает эффективную продувку за это время.
Естественно, что при другом числе цилиндров, ином порядке вспышек и
расположения колен требуется другая группировка цилиндров и иное число
выпускных коллекторов.
Наддув двухтактных
двигателей. Проблема снабжения двухтактного двигателя воздухом в
необходимом количестве и с заданным давлением наддува решается значительно
сложнее. В силу затруднений в обеспечении баланса мощности (равенства NТ и Nk на валу компрессора) в
двигателях ранних моделей с контурными схемами газообмена («МАН», «Зульцер»,
«Фиат») нельзя было осуществить наддув только благодаря применению ГТК и
приходилось прибегать к комбинированным системам наддува с использованием
подпоршневых полостей. Причины этого следующие:
► из-за отсутствия хода
выталкивания для обеспечения качественной продувки и удовлетворительного
наполнения цилиндров воздухом среднее давление газа перед турбиной при
контурных схемах газообмена должно быть меньше давления воздуха в ресивере рт = (0,80-0,88)ps;
► температура выпускных
газов существенно ниже;
► для обеспечения
качественного газообмена необходим большой расход воздуха на продувку, поэтому
наддувочный агрегат (компрессор) должен иметь большую подачу.
Исключение составляет
дизель с прямоточно-клапанной схемой газообмена, в котором наличие клапана
позволяет осуществлять более ранний выпуск и вследствие этого направлять в
турбину газы с большим давлением и температурой.
Совершенствование
газообмена, уменьшение расхода воздуха на продувку и, главным образом, переход
на наддув с постоянным давлением и повышение КПД турбокомпрессоров до 70%
обеспечили возможность снабжения двигателя воздухом только от турбокомпрессоров
в диапазоне нагрузок от 100 до 40%.
При меньших нагрузках
и пусках подключается дополнительный компрессор с электроприводом, работающий
параллельно либо последовательно с ГТК.
Отказ от подпоршневых
полостей привел к упрощению и удешевлению конструкции двигателя.
В последней модификации двигателя «Зульцер» RTA (рис. 5.8) с
более совершенной прямоточной схемой газообмена включение дополнительного
электрокомпрессора необходимо лишь при нагрузках менее 25% и при пуске. В
выпускном коллекторе 2 благодаря его большому объему устанавливается постоянное
давление газов. Пластинчатые невозвратные клапаны 7 предотвращают
перетекание воздуха из второй секции ресивера 5 в первую и тем самым
обеспечивают возможность работы электроприводного компрессора 6 последовательно
с турбокомпрессором 3(1- цилиндр; 4 -
воздухоохладитель).
Литература
1.Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего
сгорания. Том 2. / И.В.Возницкий, А.С.Пунда – М.:МОРКНИГА, 2010.- 382 с.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.