Лекция на тему "Использование энергии выпускных газов для наддува"

Использование энергии выпускных газов для наддува

При анализе термодинамического цикла отмечалась возможность повышения его эффективности (увеличения удельной работы цикла) вследствие продолженного расширения рабочего тела в лопаточных машинах. В действительном цикле идея продолженного расширения реализуется путем использования энергии выпускных газов в газотурбокомпрессорах, применяемых для наддува двигателя.

Полная располагаемая энергия выпускных газов Е складывается (рис. 12.1, а, б) из энергии расширения газов:

от давления в цилиндре р_имп до давления в коллекторе перед турбиной р_Т — составляющая Е₁

от давления в коллекторе перед турбиной р_т до давления атмосферного воздуха р_т0—составляющая Е₂

Составляющая Е₁ носит импульсный (пульсирующий) характер и представляет собой пики изменения давления, температуры и ско­рости газа, возникающие в выпускной системе, перед турбиной в процессе свободного выпуска газов из цилиндра.

Составляющая Е₂ имеет более постоянный характер и представляет собой энергию, характеризующуюся относительным постоянством давления p_Т = const, температуры^; и скорости газов перед тур­биной на участке между импульсами (см. рис. 12.1, б) или в течение всего периода выпуска (рис. 12.1, в, г).

В газовой турбине могут быть использованы обе составляющие энергии газов, однако степень использования импульсной состав­ляющей зависит от способа подвода газов к турбине, в зависимости от которого газотурбинный наддув подразделяют на импульсный и постоянный.

 Импульсный газотурбинный наддув происходит при переменном давлении газов перед турбиной. При импульсном наддуве (см.рис. 12.1, а, б) нужно максимально использовать (импульсную составляющую энергии газов E₁. С этой целью:

1)    увеличивают предварение открытия выпускных органов, чтобы отбирать газ из цилиндров при более высоких температурах.

2)    во избежание расширения газов в выпускной системе их подво­дят к тазовой турбине по коротким патрубкам 2 малого сечения и по возможности турбину 3 приближают к цилиндрам,

3)    чтобы импульсы отдельных цилиндров не накладывались один на другой и не мешали продувке в соседних цилиндрах, выпускную систему двигателя разделяют на несколько самостоятельных трубо­проводов, подводящих газ к одной или нескольким турбинам;

4)    к каждой турбине для получения максимального КПД подключа­ют не более трех цилиндров, выпуски которых в соответствии с по­рядком работы максимально разносят один от другого.

В результате такой организации выпуска в импульсных газовых турбинах двухтактных МОД удалось достигнуть использования 35-45% энергии импульса Е₁. В четырехтактном двигателе установка нескольких турбин по экономическим соображениям нецелесообразна, поэтому объемы выпускных трактов относительно велики, что снижает давление импульса и соответственно долю используемой энергии; в четырехтактном среднеоборотном двигателе она составляет (0,2—0,3).

Преимущества импульсной системы наддува:

1)    более полное использование энергии газов, что облегчает зада­чу балансирования мощностей турбины 3 и компрессора 4 (см. рис. 12.1, а, д);

2)        лучшее снабжение двигателя воздухом при пуске и на режимах малых частот вращения и нагрузок, в связи с чем в двухтактном двигателе с прямоточной схемой газообмена исключается необходимость в использовании дополнительных нагнетателей с независимым приводом

3)    быстрое реагирование турбокомпрессора на изменение режима работы двигателя, что обеспечивает его хорошую приемистость;

4)    лучшая продувка цилиндров благодаря более низкому дав­лению в выпускных патрубках в период продувки.

Недостатки импульсной системы наддува;

сложность выпускного, тракта;

необходимость установки на больших двигателях нескольких турбин, максимально приближенных к питающим их цилиндрам, по­скольку подключение к одной турбине более трех цилиндров и увели­чение объема и длины подводящих выпускных патрубков сущест­венно снижают эффективность использования импульсной состав­ляющей энергии газов;

более низкий КПД турбины (по сравнению с турбиной на посто­янном давлении η_тп) вследствие непостоянства давления и скорости газов на входе в турбину, перетекания газов из-за наличия раздель­ного соплового аппарата, больших потерь на вентиляцию и пр.

Сростом давления наддува р_к и р_е доля импульсной составля­ющей Е_± в общей энергии сокращается, поэтому, учитывая отмечен­ные недостатки, область использования импульсной системы огра­ничивается значениями р_к = 0,13 - 0,18 МПа.

Постоянный газотурбинный наддув происходит при постоянном давлении газов перед турбиной (см. рис. 12.1, в, ё). Продукты сгора­ния из всех цилиндров 1 направляются в один общий выпускной кол­лектор 7, в котором из-за его большого объема давление газа, не­смотря на цикличность поступления, выравнивается и поддержи­вается на постоянном уровне р_Т (см. рис. 12.1, г), определяемом количеством поступающего газа, его параметрами и пропускной способностью турбины. Из коллектора газ поступает в одну или две турбины 3 (5 —воздухоохладитель, 6—ресивер). При такой орга­низации выпуска кинетическая энергия Е₁ в турбине не исполь­зуется, часть ее теряется на дросселирование газа в выпускных органах, на его перетекание из цилиндра в коллектор, а часть переходит в потенциальную составляющую; увеличивая ее на ΔЕ₂. (площадь rr'е'е—см. рис. 10.1). В итоге при наддуве с постоян­ным давлением располагаемая энергия E_пгтн =E₂+ΔE₂.

Постоянство потока газа в турбину, обусловленное p_т= const, позволяет получить более высокие значения КПД турбокомпрес­сора (η_гтк = 66÷72 %), что в свою очередь дало возможность в современных двигателях полностью перейти на газотурбинные над­дув, отказавшись от использования подпоршневых полостей каче­стве дополнительных компрессоров.

Литература

Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 2. / И.В.Возницкий, А.С.Пунда – М.:МОРКНИГА, 2010.- 382 с. Стр. 114-117.

Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 2. / И.В.Возницкий, А.С.Пунда – М.:МОРКНИГА, 2008.- 470 с. Стр. 156-160

Возницкий И. В. Судовые дизели и их эксплуатация / И.В.Возницкий, Е.Г.Михеев – М.:Транспорт, 1990. - 360 с Стр. 249-252