Удосконалення технічної експлуатації газотурбонагнетачів суднових малообертових дизелів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

морський газотурбонагнетач дизель

Загальновідомо значення морського транспорту, як однієї зі стратегічних галузей, що визначає стан економіки будь-якої країни. Саме ця галузь розглядалась багатьма експертами, як один із полюсів розвитку та прискорення інтеграції України у світову економіку. До того ж цьому сприяє й її вигідне географічне розташування.

Тенденції в розвитку світового морського флоту характеризуються підвищеною увагою до використання високорентабельних спеціалізованих суден, оснащених автоматизованими енергетичними й вантажними комплексами.

Значне підвищення технічної складності суднового обладнання спричинило збільшення первинної вартості судів і викликало підвищені вимоги до економічної ефективності їх експлуатації.

Розв'язання проблеми витрат на технічну експлуатацію в основному пішло по шляху оснащення суден коштами автоматизації й використання в суднових енергетичних установках високо-економічних двигунів. Перше дозволило скоротити чисельність суднового персоналу до мінімального рівня, необхідного для забезпечення вахтового і чергового обслуговування. Друге дозволило значно (на 15-20 %) скоротити витрати на паливо, що в умовах інтенсивної витрати запасів нафти грає першорядну роль.

Відомо, що місце морського транспорту і його роль в єдиній транспортній системі визначаються масштабами виконуваних морським транспортом перевозок, їх економічним і соціальним значенням, а також вирішенням екологічних проблем. У процесі поновлення морського флоту також важливо оптимально поєднувати будівництво нових суден і модернізацію діючих. Це створює умови для широких впроваджень досягнень науково-технічного прогресу, розвитку комплексної механізації та автоматизації виробничих процесів.

Розвиток і вдосконалення суднових дизельних установок відбувається в напрямку постійного збільшення циліндрової і агрегатної потужності, поліпшення економічності, а також підвищення надійності, довговічності та працездатності.

Одним з основних і розповсюджених способів підвищення потужності дизелів є газотурбінний надув, за допомогою якого збільшується заряд повітря в робочих циліндрах, що в свою чергу дозволяє збільшити циклову подачу палива. Отже, за інших рівних умов зростає і потужність, розвиває окремими циліндрами і дизелем у цілому.

Тому, у даній роботі показані методи підвищення технічної експлуатації суднових газотурбонагнетачів.

СДВЗ у складі СЄУ

Комплекс обладнання, призначеного для виробництва всіх необхідних на судні видів енергії, прийнято називати судновою енергетичною установкою (СЕУ). Та частина установки, яка виробляє енергію для основних виробничо-технічних завдань (руху судна, здійснення днопоглиблювальних робіт), називається головною, а інша частина, що обслуговує головну, а також забезпечує потреби в електроенергії, парі, гарячій воді та інших енергоносіях на судні, - допоміжною.

До складу головної енергетичної установки транспортного судна входять: парові машини або турбіни; двигуни внутрішнього згоряння, що перетворюють теплову енергію в механічну; механізми, які передають енергію від двигуна до рушіїв (як правило, гребного гвинта); трубопроводи; контрольно-вимірювальні прилади; фільтри; теплообмінні апарати та інші пристрої, що забезпечують нормальну роботу СЕУ.

Суднові двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ) підрозділяють на поршневі і газотурбінні. Робочим тілом у них є гази, які утворюються при згоранні палива безпосередньо в циліндрах поршневих ДВЗ або спеціальних камерах газових турбін. Якщо теплову енергію, перетворюючу двигуном в механічну, використовують для обертання рушіїв (на транспортних судах) або для основних виробничих цілей (на суднах технічного флоту), то двигуни називають головними. Для задоволення інших потреб (на річкових судах в основному для вироблення електричної енергії) використовують допоміжні двигуни.

Тип, конструкція, компонування і склад суднової енергетичної установки залежать від призначення судна та умов його експлуатації. Витрати на технічну експлуатацію головної енергетичної установки складають більше половини загально судових витрат, тому її техніко-економічні показники є визначальними при виборі головного двигуна. Економічність СЕУ залежить від розмірів початкових витрат на проектування, будівництво і поточних витрат на її обслуговування та ремонт.

На сучасних судах в якості головних експлуатуються виключно теплові двигуни, тому особливого значення набуває такий показник їх роботи, як ступінь використання теплової енергії, отриманої при спалюванні палива, в механічну роботу, що називається коефіцієнтом корисної дії (к.к.д.). У сучасних парових поршневих машин к.к.д. дорівнює 20-22%; у парових турбін - 34-35%; у газових турбін - 28 - 32%; у поршневих двигунів внутрішнього згорання-40-42%.

При виборі СЕУ враховуються не тільки її к.к.д., але і габаритні розміри, маса, складність пристрою, швидкість введення в дію, безпека обслуговування, надійність роботи при всіх можливих умовах експлуатації судна, чисельність обслуговуючого персоналу, ресурс двигуна (тривалість роботи до капітального ремонту) та інші характеристики. У даний час найбільш економічними та відповідаючи ми більшості зазначених вимог є установки з поршневими двигунами внутрішнього згоряння.

Як і в даний час, основними типами СЕУ на перспективу будуть установки з поршневими двигунами внутрішнього згоряння і механічною передачею потужності на гребної гвинт. Подальший розвиток СЕУ пов'язано в основному з підвищенням агрегатної потужності їх двигунів,забезпеченням більшої надійності її елементів, поліпшенням економічності, зниженням вартості та експлуатаційних витрат, зменшенням шкідливого впливу на навколишнє середовище, впровадженням автоматизованих комплексів управління судном.

Пропульсивний комплекс

Пропульсивний комплекс - гідромеханічна система, що включає корпус судна та пропульсивну установку, в якій енергія робочого тіла перетворюється в упор, повідомляючий рух корпусу судна. Пропульсивна установка є виконавчої частиною головної енергетичної установки. У найбільш загальному випадку складається з рушія, валопровода, головних суднових передач та головних двигунів. При наявності головних двигунів, в яких енергія палива безпосередньо перетворюється в механічну енергію, пропульсивна установка є головною електричної установкою. Взаємодія елементів П.К. може включати різні види прямих і зворотних зв'язків: механічних (наприклад, між головною передачею, валопроводом і гребним, гвинтом), гідродинамічних (наприклад, між гребним, гвинтом і корпусом) та інших. Поява цих зв'язків має досить складну закономірність і суттєво залежить від умов плавання (хвилювання, лід, буксирування і т.п.). Об'єднання корпусу та пропульсивної установки в єдину систему забезпечує можливість теоретичного дослідження складних явищ їх взаємодії з метою оптимізації використання енергії для руху судна в масштабі всього П.К., а не окремих його елементів.

Можливі різні моделі роботи П.К. найбільш проста - графічна, на якій поєднуються характеристики корпусу, гребного гвинта і головного двигуна. Графік представляє поле можливих режимів роботи двигуна з нанесеними на нього гвинтової характеристик і характеристики постійної швидкості. Така модель може застосовуватися для дослідження установленого прямолінійного руху П.К. з гвинтом фіксованого кроку. Кожна точка графічної моделі в поле можливих режимів відповідає певної потужності, частоті обертання гвинта і швидкості судна і у всьому діапазоні можливих ходових режимів (у разі жорсткої механічної передачі потужність і частота обертання двигуна в відносних одиницях будуть відповідати потужності і частоті обертання гвинта). Її зручно використовувати як в умовах проектування, так і в експлуатації. Більш складним є модель, що враховує динаміку взаємодії елементів П.К. Математична модель дозволяє оцінювати параметри роботи П.К. при неустановівшемося руху судна (розгін, зупинка, реверсіроване і т.п.), що має велике значення для створення систем автоматичного управління. Вибір типу моделі залежить від тимчасового інтервалу, на якому визначаються параметри роботи П.К., і припущень, прийнятих при її розробці. Технічна досконалість П.К. визначається його здатністю перетворювати механічну енергію головного двигуна в рух судна з найменшими втратами незалежно від умов плавання. Показником технічної досконалості П.К. служить ККД пропульсивної установки. Крім того, доцільність вибору елементів пропульсивної установки визначається ефективністю суднової енергетичної установки в цілому.

Перевага СДВЗ перед іншими видами силових установок

Дизельні установки займають провідне місце в транспортному флоті, причому їх інтенсивний розвиток дозволяє припустити, що вони будуть мати перевагу застосування та на будучих судах. Це пояснюється в першу чергу їх високої енергетичною ефективністю. ККД дизеля складає 45%, що визначає його паливну економічність. Дизеля надійні в роботі, прості в обслуговуванні та ремонті, мають обмежені витрати повітря, мало схильні до впливу атмосферних умов. Вони мають порівняно низький температурний рівень, простота дистанційного автоматичного управління. Позитивними якостями дизелів є їх швидкий запуск, значний гальмовий момент, що особливо важливо для транспортних установок. Суднові двигуни великої та середньої потужності можуть працювати на важкому паливі, ціна якого на світовому ринку значно нижче ціни дизельного палива. Поряд з позитивними якостями ДВЗ обкладають рядом недоліків. Серед них обмежена в порівнянні з паровими і газовими турбінами агрегатна потужність, високий рівень шуму, токсичність випускних газів, підвищена витрата мастила, велика чутливість до зростання навантаження, поява неврівноважених сил інерції та можливість виникнення крутильних коливань. Однак висока економічність дизелів, у тому числі з удосконаленою системою надуву окупає ці недоліки.

МОД і їх характеристики

До цієї категорії належать дизелі з частотою обертання від 55 до 155

об / хв. Потужні малообертові головні двигуни з безпосередньо передачею обертання на гвинт працюють виключно за 2-х тактному циклу і мають крейцкопфу конструкцію, яка забезпечує можливість повністю ізолювати порожнини циліндрів від картера. Вони найбільш нечутливі до якості використовуваного палива і дозволяють спалювати самі низькосортні з них з високої термічної ефективністю. Невисока швидкість поршня і мала кількість рухомих частин забезпечують високу економічність цих машин по витраті мастильних матеріалів, низькі значення швидкості зносу і виняткову довговічність. Хоча такі двигуни виробляють деякі фірми-виробники, вони домінують на ринку, особливо для великотоннажних океанських суден.

Для задоволення попиту на різноманітні потужності є широкий вибір однотипних двигунів, які відрізняються за розміром і кількістю циліндрів. На додаток до стандартних моделей виробляються їх модифікації з подовженим ходом поршня (відносини ходу поршня до діаметром циліндра - до 3.8) та зниженою швидкістю обертання-до 55 об / хв. Це дозволяє використовувати малообертові гребні гвинти великого діаметра з високою пропускною ККД. Короткоходні модифікації пропонуються для суден з обмеженою осадкою, для яких характерні невеликі габарити гвинтів і мала висота машинного відділення. Однак багато вузлів та деталей базової моделі використовуються у всіх її модифікаціях.

Опис судна, його технічні характеристики

Назва судна - Baltic Freedom

Тип судна - танкер

Призначення судна - для перевозки наливних вантажів

Район плавання - необмежений

Головні розмiрення:

Найбільша довжина L=182.55м

Ширина В=27.34м

Висота D=15.6м

Дедвейт DW=37.048т

Осадка d=11.21м

Брутто Реєстровий тоннаж GRT=23337рт

Нетто Реєстровий тоннаж NRT=10170рт

Швидкість судна v=18 вуз

Грибний винт 4-х лопастний

Головний двигун MAN B&W 7S 50MC-С

Потужність 11.060KW

Докладна характеристика і опис двигуна MAN B&W 7S 50MC-С (11.060 KW)

Рис.

MAN B&W - двотактний, крейцкопфний, реверсивний, з газотурбінним наддувом, з прямоточно-клапаною система газообміну. Двигун працює у якості головного з прямою передачею на гвинт. Завдяки перевагам прямоточно-клапанній системі газообміну в організацій робочого процесу, двигун B&W зарекомендував себе, достатньо економним, з високою мірою використання об'єму циліндра в робочому процесі.

Фундаментна рама скринчатой форми складається з високих продольних балок, зварених зі зварно-литими балками із стального лиття. Станина зварна і має високу твердість, блок циліндра чавунний. Фундаментна рама, станина і циліндровий блок стягнуті між собою довгими анкерними зв'язками.

Втулка циліндра опирається на блок циліндра, при чому верхня її частина виступає над блоком циліндрів і обведена тонкою сорочкою, яка створює порость охолодження, підводимо зі висвердленими тангенціальними каналами, завдяки чому температура дзеркала циліндра на верхньому рівні кільця при положенні поршня у ВМТ не перевищує 160-180 градусів Цельсія, що забезпечує надійну роботу та збільшує строк служби поршневих кілець. Втулка має просту симетричну конструкцію, у нижній частині якій розміщенні продуванні вікна, рівномірно розподілені по всій окружності. Осі каналів, утворюючи продуванні вікна, направлені по дотичній до окружності циліндра, що створюю завихрення потоку коли він поступає у циліндр. Штуцера для підводу циліндрового мастила розміщені у верхній частині втулки.

Кришка циліндра стальна кована ковпачного типу, виходячи з цього при положенні поршня у ВМТ головка поршня розміщується вище району ущільнення кришки і втулки циліндра. Кришка відокремлюється легкістю демонтування. Для інтенсифікації охолодження у самій поверхні вогневого днища висвердлені отвори радіальних каналів, по яким циркулює охолоджувальна вода. В кришці розміщається випускний, форсунки, а також пусковий та запобіжний клапан. Випускний клапан має гідропривід. Для обертання клапана використовується крилатка, що підвищує надійність спряження із сідлом. Суцільний відлитий із чавуна ресивер продувального повітря разом з діафрагмою охолоджується водою, що сприяє безпеці експлуатації двигуна. Поршень розрахований на підвищення тиску горіння, та охолоджується мастилом. Шатун має порівняльне короткий стержень, що сприяє пониженню загальної висоти двигуна. Колінчастий вал зварювального типу, при чому зварка здійснена посередині рамкових шийок. Упорний вал складає одне ціле з колінчатим валом, що зменшує загальну довжину двигуна з упорним підшипником. Розподільний вал приводиться до обертання від колінчатого валу ланцюговою передачею. Розподільний вал приводить у рух золотниковий паливний насос високого тиску та поршні гідравлічних приводів випускних клапанів. Паливні насоси золотникового типу зі мішеним регулюванням подачі, забезпечує низькі витрати палива.

Економічність двигуна підвищують за рахунок утилізації теплоти випускних газів у стандартизованій турбокомпаудній системі, яка наводиться у двох варіантах: ГТН з електрогенератором, вбудований в повітряний фільтр глушник чи утилізаційний турбогенератор. При цьому додаткова енергія може віддаватися гвинту чи в судову електростанцію. Остов підтримує та направляє рухливі частини, сприймає усі загрузки при роботі двигуна. КШМ сприймає зусилля від натиску газу і перетворює рухи поршня в обертаючі рухи колінчатого валу. Комбінований механізм газорозподілу використовується для управління процесами впуску та випуску в узгодженні з прийнятими фазами газообміну; складається із робочих клапанів і деталей, передаючих рух від колінчатого валу до клапанів, розподільного валу, вальцевих штовхачів, гідроприводів випускних клапанів. Випуск газів здійснюється через клапани, керуємий механізмом газорозподілу , закриття і відкриття продувальних вікон-верхньою кромкою днища поршня.

Система високого тиску здійснює вприск палива до камери горіння і включає в себе паливний насос великого тиску і форсунки об'єднані паливним шляхом високого тиску. Система високого тиску забезпечує: вприск точно дозованої циклової подачі палива. Регулювання системи високого тиску здійснюється шляхом змінення циклової подачі, а також началом та кінцем процесу вприску.

Система змащування забезпечує подачу мастила до тертьових поверхонь для зменшення їх тертя, відвід тепла, виділеної при терті, а також для очищення поверхонь тертя від продуктів зношування, нагару та інших по сторонніх частин. Мастило подається по втулці циліндра, підшипників колінчатого валу, та розподільного валу, турбокомпресорів , насосів, направляючих клапанів, штовхачів паливних насосів і механізму газорозподілу , приводів клапанів.

Система охолодження створена для охолодження двигуна, нагрітого від згорання палива і від тертя. А також для відводу тепла від робочих рідин (мастило, паливо, вода) ті надувного повітря. Одноступенева, багато компресорна, ізобарна, з охолоджувачами повітря, система повітряного постачання створена для подачі повітря, яке потрібно для горіння палива та продування циліндра.

Аналіз методів підвищення ефективності систем наддува

Збільшення заряду повітря найраціональніше здійснюється при газотурбінном наддуві, коли в циліндри дизеля надходить повітря, стиснуте в компресорі, що приводить у обертання газової турбіни, що використовує енергію випускних газів двигуна.

У сучасних малообертових суднових дизелях з великими діаметрами циліндрів середнє ефективний тиск досягає 1-1,2 Мпа при циліндровий потужності 2500-3500 КВт. У четирехтактних дизелів величини Ре досягають 1,5-1,8 МПа завдяки застосуванню високого наддуву. Таке значне форсування дизеля супроводжується збільшенням рівня теплонавантаженності циліндро-поршневої групи, що обмежує подальше підвищення потужності. Тому у суднових дизелях, до яких пред'являються підвищенні вимоги з точки зору забезпечення тривалої та надійної роботи при будь-яких умовах плавання судна, застосовують низький або середній наддув. У більшості суднових дизелів тиск наддуву становить 1,35-1,7 бар, і тільки в окремих моделях дизелів тиск наддуву складає 2,0-2,5 бар. Для забезпечення достатнього низького температурного рівня деталей циліндро-поршневої групи підтримують високі коефіцієнти збитку повітря як при горінні, так і при продуванні. Цього дабиваються підвищенням витрати повітря, досягнутої на останніх моделях 9 кг / (е.л.с. х ч).

Напрямок розвитку дизелів показує, що найбільш ранаціональним та ефективним способом збільшення Neц є підвищення середнього Ре шляхом збільшення масового заряду повітря, що надходять у циліндри, тобто наддуву двигунів.

Основними засобами збільшення масового заряду повітря є збільшення щільності заряду, зниження температури повітря (за компресором) приблизно до номінальної, збільшення коефіцієнта наповнення.

Рекуперативна (проміжна) система охолодження повітря надає великий вплив на ефективність наддуву; при охолодженні повітря до t = 40-60 ° С підвищується маса повітря (на 2-3% і на кожні 10% зниження температури повітря), знижуються температура Та й Тц, а також температура нагрітих деталей камери згоряння; середнє Ре зростає приблизно пропорційно Рк.

Для інтенсифікації процесу продувки-наддуву використовуються імпульси, що виникають у загальному випускному колекторі. Для цього колектор ділять на окремі гілки, підключаються до певних груп циліндрів, з тим, щоб отримати у окремих гілок найбільший зсув фаз тиску газів. У результаті уникають порушення процесу продувки окремих циліндрів і більш ефективно використовують енергію випускних газів.

Форсування потужності дизелів здійснюється різними засобами, але у суднових силових установках одним з основних способів підвищення потужності дизелів є наддув повітрям. Застосування наддуву дозволяє збільшити заряд повітря в робочих циліндрах, що в свою чергу дозволяє збільшити циклову подачу палива, а отже, зростає потужність, розвиває окремими циліндрами і дизелем в цілому.

Збільшення заряду повітря найраціональніше здійснювати при газотурбінному наддувві, коли в циліндри дизеля поступає повітря, стиснуте у компресорі, що приводить в обертання газову турбіну, що використовує енергію випускних газів.

Газовою турбіною називають лопаткову машину, в якій потенційна енергія газового потоку за рахунок обтікання лопаток перетворюється в механічну роботу на валу турбіни. Лопаточна ця машина називається тому що, її основними працюючими елементами є лопатки, встановленні на вертінні ротора і в корпусі турбіни.

Хід газу при обтікання лопаток може бути осьових і радіальним. На рисунку 4.1 а, приведена схема одноступенчатой осьовій газової турбіни, а на рисунку 4.1 6, - радіальної газової турбіни. Основними елементами турбіни є: сопловий або направляючий апарат, утворений нерухомими сопловими лопатками 1, які кріпляться у корпусі турбіни 2, диск 3, робочі лопатки 4 і вал 5. Нерухомі деталі утворюють статор турбіни, рухомі її ротор. У осьових газових турбін робочі лопатки виготовляються окремо та кріпляться на диску, у радіальних вони зазвичай виготовляються разом із ним. Диск спільно з робочими лопатками називають робочим колесом турбіни. Сукупність неподвіжного направляючого апарату і наступного за ним робочого колеса називають ступенем турбіни.

Рисунок 4.1 - Схема ходу газа через лопатки турбіни а-осева, б-радіальна

Класифікація газових турбін нуддувочного повітря

Наддувочні газові турбіни можна класифікувати за різними ознаками, що враховують як особливості газових турбін взагалі, так і специфічні особливості газових турбін, що працюють спільно з двигуном внутрішнього згоряння.

До таких ознак належать: напрямок потоку газів при їх русі через газову турбіну, принцип роботи, число ступіней, характер зміни тиску газів перед турбіною.

За напрямком потоку газів при їх русі через газову турбіну останні поділяються на осьові і радіальні.

У осьовій турбіні гази, проходячи через сопловий апарат і робоче колесо турбіни, рухаються паралельно її осі.

У радіальної турбіні потік газів при їх русі через сопловий апарат і робоче колесо спрямований за радіусом робочого колеса. Звідси і її найменування - радіальна турбіна. Для наддуву двигунів внутрішнього згоряння застосовуються як осьові, так і радіальні газові турбіни.

За принципом роботи, турбіни поділяються на активні і реактивні. Для наддуву двигунів внутрішнього згоряння в даний час застосовуються тільки реактивні турбіни.

За кількістю ступенів турбіни поділяються на одноступеневі і багатоступеневі. У двигунах внутрішнього згоряння застосовуються переважно одноступеневі турбіни. Турбіни з числом більше однієї застосовують у випадках, коли розмішений теплоперепад важко використовувати в одній ступені. Спрацювання великих теплоперепадів у одній ступені супроводжується великими втратами.

За характером передачі енергії випускних газів турбіни поділяються на турбіни постійного тиску і турбіни змінного тиску. Останні часто називають імпульсними.

Особливості наддува двотактних суднових дизедлів

У 4-х тактних двигунах застосовується єдина схема наддуву за допомогою одного або декількох газотурбонагнетачів, кінематичних не пов'язаних з двигуном, так званих вільно-обертальних ГТН, причому турбіни можуть працювати на випускних газах постійного або змінного тиску в залежності від пристрою випускного тракту.

Рисунок 4.2 - Схема індикаторної діаграми процесу випуску двотактного двигуна

Запуск двигуна і робота його на малій частоті обертання при цій системі наддуву в 4-х тактом двигуні забезпечується повністю внаслідок наявності двох насосних ходів, завдяки яким двигун сам засмоктує необхідну кількість повітря і витісняє продукти його згоряння.

Процес витікання випускних газів з двотактного двигуна з газотурбінним наддувом показаний на рисунку 4.2

При роботі на випускних газах постійного тиску, тобто за наявністю за випускним вікном ресивера більшого обсягу у турбінне може бути використана сума енергії циліндра і продув очного агрегату. Збільшення обсягу газів пояснюється, як і у 4-х тактних двигунах, переходом частини кінетичної енергії в тепло. Встановлення газової турбіни в безпосередній близькості до циліндра дає можливість використовувати значну частку енергії, безпосередньо на лопатки турбіни.

Для того, щоб ефективно використовувати енергію вільного випуску Е1 і обійтися, як у 4-х тактному двигуні, вільно-обертовими газотурбонагнетачами, на 2-х тактних двигунах були проведені експериментальні роботи з продувками різних систем.

Відносне збільшення кількості енергій газів, спрацьованою імпульсної турбіною, у порівнянні з кількістю енергії, що спрацьовує турбіна постійного тиску, можна оцінити коефіцієнтом використання енергії імпульсу.

Застосовують два принципово різних способи використання енергії випускних газів:

-робота турбіни на газах постійного тиску

-робота турбіни на газах змінного тиску

При системі наддуву з постійним тиском перед турбіною вихлопні гази з усіх циліндрів двигуна випускаються в загальний ресивер достатнього великого об'єму, де встановлюється практично постійний тиск, а потім газ прямує до турбіні. Схема системи наддуву при постійному тиску наведено на рисунку 4.3

При постійному наддуві продукти згоряння з усіх циліндрів 1 направляються в один загальний вихлопною колектор 2, в якому завдяки його великим обсягом тиск газу, незважаючи на цикличность його надходження, вирівнюється і підтримується на постійному рівні Рт, що визначається кількістю надходженого газу, його параметрами і пропускною спроможністю турбіни. З колектора газ надходить в одну або дві турбіни 3 (4 - компресор; 5-повітряохолождувач; 6 - ресивер). При такій організації вихлопного тракту велика частина енергії Е1, не використовується, так як вона губиться на дросселірованіе газу у випускних органах, на його перетікання з циліндра в колектор, на розширення газу в колекторі, віхреобразовання та інше. Частина зазначених втрат супроводжується тепловиділенням, завдяки чому кілька підвищується температура газу і збільшується його об'єм на ДV.



Рисунок 4.3 - Схема системи наддуву при постійному тиску

1-циліндри; 2-вихлопні патрубки; 3-газова турбіна; 4-компресор;

5-повітряохолоджувач; 6-ресивер надувочного повітря.

Рисунок 4.4 - Схема системи імпульсного наддуву

При змінному тиску перед турбіною вихлопні гази від одного або послідовно від декількох циліндрів направляються в турбіну. Тому тиск газу перед турбіною змінюється в часі практично так само, як на випуску із циліндра. На рисунку 4.4 наведена схема системи імпульсного наддуву.

Переваги системи постійного тиску газу перед турбіною - проста система підведення газів до турбіни, можливість розташування турбіни в більш зручному місці, сталість потоку газу забезпечує високий ККД турбіни близько 0.8.

Недоліки: Виникають труднощі в організації ефективної продувки циліндрів у зв'язку з постійним тиском у вихлопних тракті; втрачається велика складова енергії газів; турбіна гіршою приємністю і не розвиває достатньої потужності при пуску і на малих оборотах.

Переваги імпульсної системи: більш повне використання енергії газів, що полегшує задачу балансування потужностей турбіни і компресора; Краще постачання двигуна повітрям під час пуску і на малих ходах; швидке реагування турбокомпресора на зміни режиму роботи двигуна; краща продування циліндрів завдяки низькому тиску у випускних патрубках у період продувки.

Недоліки: Складність випускного тракту; більш низький ККД турбіни.

Системи наддуву двотактних двигунів

Наддув двотактних двигунів здійснити значно важче, ніж четирехтактних. Причини цієї обставини можна пояснити наступним:

по-перше, у двотактних двигунів відсутній хід вибовкування продуктів згорання з циліндрів, тому для продування і наповнення циліндрів середній тиск газу перед турбіною повинно бути менше, ніж тиск повітря в продувних ресивері двигуна Рк/Рт = 1.15-1.25

по-друге, температури вихлопних газів у двотактних двигунах істотно нижче, ніж у четирехтактних.

В результаті цього забезпечення балансу потужностей на валу турбокомпресора у двотактних двигунів пов'язано з значними труднощами. Ці труднощі посилюється в разі застосуванні контурних систем продувок (двигуни фірм МАН, ЗУЛЬЦЕР та інших), для яких, в порівнянні з прямоточною, необхідно великий надлишок повітря і підвищений перепад тиску, тобто при однакових тиску наддуву тиск перед турбіною у двигунів з контурною продувкою повинен бути менше, ніж у двигунів з прямоточною продувкою. Для усунення цих ускладнень були прийняті наступні заходи: для забезпечення надійного пуску знайдено ряд вдалих конструктивних рішень; використана система імпульсного наддуву; зменшений коефіцієнт надлишку продувочного повітря та інша. В результаті вдалося здійснити процес з вільним газотурбінним наддувом, не потребуючи будь-яких додаткових нагнітачів з приводом від двигуна для забезпечення роботи на всіх експлуатаційних режимах (наприклад, у дизелів фірми MAN B & W) рисунку 4.5. Найбільш простою і поширеною є система газотурбінного наддуву з «вільним» турбокомпресором, що приводиться в дію чисто газовим зв'язком з дизелем рисунку 4.5

Рисунок 4.5 - Схема систем газотурбінного наддування

а - з вільним турбокомпресором; б - послідовна; в - паралельна; г - паралельна з автономним електрокомпрессором; д - з механічним зв'язком турбокомпресора з дизелем; е - з двоступінчастим наддувом. Х-холодильник; Н-нагнітач; Е-еле-ктродвигун; М-муфта; ЗП-зубчата передача; Р-ресівер; Т-турбіна; К-компресор

При цій системі потужність турбіни на всіх режимах дорівнює потужності компресора. У послідовній системі наддуву здійснюється двоступінчатий стиск повітря спершу в турбокомпресорі (I ступінь), а потім у привідної від дизеля (II ступінь); останній може мати різне конструктивне виконання (відцентровий компресор, роторнозубчатий насос та інші.) Паралельна система наддуву полягає в тому, що повітря подається в загальний ресивер дизеля паралельно як з турбокомпресора, так і привідних нагнітачів, при цьому недостатня продуктивність турбокомпресора (на ряді режимів) компенсується приводними нагнітачами; останній може приводиться не тільки від дизеля , але в деяких випадках виконуватися у вигляді автономного електрокомпресора, встановленого поза дизелем (наприклад, на установках фірми MAN з МОД).

У комбінованій системі з турбокомпресорами, механічно пов'язаних з дизелем при помочі зубчатої передачі, при балансі потужностей (Nт=Nк) механічний привід розвантажується і відповідно зростає. При небалансі (Nт<Nк), наприклад, на долевих режимах, відсутня потужність відбирається від дизеля.

Комбінована система для двоступінчатого наддуву застосовується при високих лн; система має дві модифікації: використання для I ступені імпульсного наддуву, а для II ступені - наддуву постійного тиску; використання в обох ступенях системи наддуву постійного тиску. В обох модифікаціях передбачається двоступінчате охолодження повітря.

Газотурбонагнетач фірми MAN B&W

Рисунок 4.6 - Газотурбонагнетач «MAN B & W» TL680

На рисунку 4.6 наведена конструкція газотурбонагнетача TL 680. Вал ротора складається з трьох частин. Диск 21 з'єднується з валом 34 турбіни і валом компресора 19 болтами. Колесо 14 нагнітачів з радіальними лопатками та направляючій аппарат 13 з вигнутими лопатками закріплені на валу за допомогою шпонкі и гайки 12. Робочі лопатки 23 турбіни кріпляться до диску ялинковим замком. Між бортом і колесом закріплено балансировочне кільце 43.

Ротор має знімні опорні підшипники ковзання 11 і 27 і бронзови втулки 45 і 30. упорний фланець 6 на втулки розміщений між секторами 10, робочі поверхні яких залити баббітом. Втулка 4 упорного підшипника разом з корпусом упорного підшипника 11 кріпляться до корпусу нагнітачів шпильками.

Від самостійної циркуляційної системи масло до опорного-упорному підшипнику підводиться по трубі 8 через систему отворів. Аналогічно змащення надходить до опорного підшипника 27. У сточу цистерну олія відводиться по трубах 3.

Для запобігання попадання масла в нагнітач, у корпус запресована уплотнітельна втулка 44 з сальником. На внутрешній поверхні втулки з лівого боку є прямокутна різьба з направленням, зворотним напрямку обертання ротора, що викликає повернення масла в підшипник. З правої

сторони на втулки виконані гребені лабіринтового уплотніння. У порожнину-Н-підводиться стиснуте повітря на равлики.

З боку турбіни для повернення масла в підшипник встановлено кільце 26 з квадратної різьбою, що має також направлення, що й у втулки 44.

Втулка 25 має на внутрішній поверхні гребні лабіринтові ущільнення та порожнину-М-для ущільнення стислим повітрям з равликом. Додатково ротор ущільнюється кільцями 24 і 38 з лабіринтовими виточками.

Для усунення пропусків повітря передбачені лабіринтові виточкі-І-на торцевих поверхнях робочого колеса нагнітачів і перегородки, а також у втулки 39.

Від впливу високих температур ротор захищається чугуним кожухом 20.

До газовипускного корпусу з приймальними патрубками 29 шпонками кріпиться кільце направляючих лопаток 23 і чугуне кільце 37 за допомогою скоб 22.

Для зменшення притоків тепла від газів до наддувочного повітря є порожня перегородка 15.

Равлик 42 з диффузором 41 кріпиться до корпусу нагнітача болтами. По торцях корпусу нагнітача для доступу до підшипника та ущільнення ротора є знімні кришки 7 і 31 з вентиляційними отворами 1, закриті латуні та мідню сіткою, обтисненні гратами. До лівого торця ротора підключається привід дистанційного тахометра.

Прісна охолоджуюча вода підводиться до газовпускній 32, і газовипускний 18 корпуси та перегородку по трубах 33,36 і 40 і подається по трубах 16, 17 і 28.

Повітряний фільтр має вісім знімних рамок 9 з фільтруючім елементом, що складається з двох шарів металевої сітки, між якими знаходиться фільтруюча тканина. Фільтруючій елемент має розвинену зигзагоподібну форму для збільшення абсорбуючий поверхні.

Глушник шуму при всмоктування складається з металевих дисків 47, обклеєна тонким шерстяним войлоком 46, кінці дисків закріплюються шайбами на заклепках. Войлоком 1 обклеєна направляюся вставка 2.

Причини появи помпажу

Розглянемо більш детально причини виникнення помпажа (зриву потоку в

робочому колесі і диффузорі). Згідно з результатами останніх досліджень ГТА при номінальному расході повітря на виході з робочого колеса спостерігаються періодичні пульсації тиску, число яких відповідає nzк. Ці пульсації викликані аеродинамічним слідом за робочими лопатками і не впливають на стійкість роботи компресора.

При зменшенні витрати повітря ширина аеродинамічного сліду за робочим колесом збільшується. Частота пульсація стає менше і за колесом настає хаотичне нестацінонарність, що переміщуються по колу і представляє собою обертовий зрив потоку. Подальше зменшення витрат викликає збільшення пульсацій, які в певний момент стрибкоподібно зростають у кілька разів. Режим до стрибка можна назвати - м'яким обертальним зривом, після стрибка - жорстким зривом.

Результ траверсірованья потоку в диффузор показує, що при виникненні м'якого обертового зриву різко змінюється напруга потоку, а при жорсткому зриві у стінок дифузора виникає протиток. Крім того, при жорсткому зриві нестійкості потоку спостерігається і в дифузора, що в сукупності із зривом у робочому колесі призводить до помпажу компресора.

Помпаж компресора може бути викликаний різними факторами, головні з яких наступні:

- зрив потоку у диффузорі;

- зрив потоку у обертаємому направляючому апараті крильчатки;

- зрив потоку у робочому колесі;

- нестійкість течії в безлопаточному просторі;

- автоколивання повітря в системі компресор - продувочно - наддувочний ресівер.

Надійність роботи компресора, розташування розрахункової точки його роботи щодо кордону помпажной зони оцінивають коефіцієнтом запасу стійкості Кст. Під цим коефіцієнтом розуміють відношення ступені підвищення тиску р до витрати повітря Gв, визначеними при однаковій частоті обертання на кордоні помпажа і в точці, що відповідає режиму спільної роботи з дизелем.

У деяких випадках помпаж компресора може виникати із-за низко-частотної пульсації, що утворюється в продувному ресивері у зв'язку з поперемінно відкриттям і закриттям впускних органів. Як показує досвід, найбільш часто з цієї причині помпаж виникає в двотактних двигунах.

Необхідно відзначити, що виникнення помпажа великою мірою сприяє порушення рівномірності потоку повітря на вході у компресор. Рівномірність потоку може порушуватися з-за його турбулізації в повітряному фільтрі, що викликається стойками, значними вм'ятинами та експлуатаційними причинами. Нерівномірність поля швидкостей перед компресором може бути і наслідком різких поворотів повітря каналу, особливо при заборі повітря з палуби.

Спотворення розрахункового розподілу швидкостей на вході в компресор (незалежно від причин) звужує діапазон стійкої роботи компресора. Тому в процесі проектування і експлуатації двигуна необхідно приймати всі заходи до того, щоб потік повітря на вході у компресор був більш рівномірний.

Характерні ознаки нестійкої помпажной роботи компресора - різкі звукові шуми і вібрація корпусу. Експлуатація турбокомпресора в помпажной зоні може призвести до ротора о статор, поломки робочих лопаток турбіни і компресора, виходу з ладу підшипників. Тому експлуатація двигуна на такому режимі, коли виникає помпаж компресора, неприпустима. На основі аналізу показників роботи двигуна і турбокомпресора (температура вихлопних газів, тиск наддуву, частота обертання) необхідно встановити причину помпажа і усунути її.

У тих випадках, коли (незважаючи на помпаж компресора) неможливо зупинити двигун чи навіть зменшити частоту його обертання (проходження судна в узкості, штормові умови і т. п.), необхідно перепускають частину повітря мимо двигуна. Для цієї мети треба видалити заглушки, звичайно встановлюються на воздухосборних равликах компресорів, відкрити крани на холодильниках повітря і ресивері продувочного повітря. При цьому слід спостерігати за температурою газу перед турбіною, щоб вона не перевищила допускаємо. Перепуск частини повітря зазвичай дозволяє усунути помпаж.

При експлуатації двигуна зрив потоку у дифузорі, на лопатки ГТНА або робочого колеса, і нестійкість напірних характеристик можуть бути викликані різними факторами, главні з яких наступні:

-забруднення лопаткового дифузора і вхідного равлика;

-закоксовання продувних і вихлопних вікон двигуна;

-забруднення або пошкодження соплових лопаток турбіни;

-відключення циліндрів двигуна з роботи;

-забруднення повітряного фільтру;

-несприятливі окремі режими роботи двигуна, наприклад, при оголенні гвинти, плаванні судна у льодах.

Всі ці фактори позначаються на течею повітря у компресорі і на становищі його робочої точки на характеристиці.

Процес стиску повітря у цінтробіжному компресорі

На рисунку 4.7 дане схематичне креслення цінтробіжного компресора. Через прийомний патрубок 1 повітря надходить на робоче колесо 2 з радіальними лопатками, де стискується, переміщаючись за рахунок цінтробіжних сил від центра до периферії. На виході з робочого колеса в корпусі розміщений лопатковий дифузор 3, у якому частина енергії вихідної швидкості використовується для підвищення тиску. Після дифузора стиснене повітря через равлик 5 іде з компресора. Для зменшення витрат у робочому колесі робочі лопатки постачені передкрилками 6, загнутими в напрямку обертання так, щоб забезпечувався без ударний вхід потоку. Без ударного натікання можна досягти також установкою перед робочим колесом нерухливого напрямного апарата.

Рисунок 4.7 - Цінтробіжний компресор.

Зовнішній вигляд робочого колеса цінтробіжного компресора з радіальними лопатками показаний на рис. 4.8. Крім радіальних, застосовуються також криволінійні робочі лопатки, загнуті вперед або назад. Загнуті вперед лопатки дозволяють одержати більший напір у ступені, однак при цьому значно зменшується ККД. Загнуті назад лопатки можуть забезпечити деяке підвищення ККД за рахунок зниження ступені. Радіальні лопатки забезпечують досить високі значення напору й ККД ступені; крім того, вони більше технологічні, чим криволінійні. Тому вони одержали найбільше поширення.

На рис. 4.9 показаний процес стиску в компресорній ступені на діаграмі іs. Крапки 1, 2 і 3 відповідають стану повітря в перетинах перед робочими лопатками, за ними й за напрямними лопатками. Цифрами й буквами із зірочкою позначені крапки й величини, що відповідають повним параметрам потоку, без зірочок - крапки й величини, що відповідають статичним параметрам.

Рисунок 4.8 - Робоче колесо цінтробіжного компресора з радіальними лопатками постачені передкрилками.

Статичний ізоентропійний перепад тепла в ступені h, що відповідає корисній роботі стиску, дорівнює сумі статичних ізоентропійних перепадів у робочих hp і напрямних hн лопатках. Швидкість виходу із щабля звичайно практично дорівнює швидкості входу. У цьому випадку корисний перепад тепла по повним h* і статичних параметрах перед і за ступеню практично рівні, тобто

Перепад тепла, що відповідає витраченої в роботі h0, завжди більше корисного перепаду h*. Він дорівнює різниці повних ентальпій перед і за ступеню.

Цей перепад тепла називають теоретичним: при відсутності втрат вся теоретична робота була б витрачена на стиск повітря. Відношення корисного перепаду тепла до теоретичного (тобто витраченому) називають ізоентропійним ККД ступені:

Рисунок 4.9 - Процес стиску у компресорної ступені на IS діаграмі.

Відношення статичного ізоентропійного перепаду тепла в робочих лопатках до ізоентропійного перепаду ступені називають, як і в теорії турбін, ступенем реактивності

 або

Удосконалення систем наддуву. Коригування експлуатаційних режимів

На відміну від транспортних дизелів системи наддуву суднових дизелів зазвичай не мають пристроїв для регулювання і коригування робочих режимів турбокомпресорів в експлуатації. Це пояснюється достатністю саморегулювання параметрів наддуву, тривалістю режимів повного ходу і малою часткою маневрених режимів.

Рисунок 5.1 - Схема підключення силової турбіни до дизеля

Можливості управління режимом роботи турбокомпресора є в сучасних суднових дизелях з високоефективними агрегатами наддуву. При ККД турбокомпресора 67% необхідні параметри наддуву забезпечуються при використанні частини енергії газів (до 90%). Узгоджена робота дизеля і турбокомпресора 1 (рисунок 5.1) в цих умовах досягається різними шляхами, наприклад перепуском частини газу крім турбокомпресора або підводом газу до силової турбіни (СТ) 6. Потужність СТ становить 3-4% потужності дизеля - 2, на стільки ж відсотків знижується питома витрата палива.

Потужність передається на вал дизеля механізмом відбору 3 через редуктор 5 і гідромуфти 4. При зниженні потужності дизеля до Ne = 0.55 • Nеном. подача газу на силову турбіну припиняється. Але, як видно з мал. 5.2. економічність дизеля підвищується на всіх експлуатаційних режиму, в тому числі і на режимах малого ходу. Це пояснюється поліпшенням повітряснабжжіння дизеля коли при підводі до турбокомпресора всієї маси газу ефективність роботи системи наддуву підвищується в порівнянні з некерованою системою наддуву. Отже, перепуск газу або його відвід на силову турбіну можуть розглядатися як елементи управління режимом турбокомпресора в експлуатації. З погіршенням технічного стану дизеля і системи наддуву або при роботі в тропічних районах припинення перепустка або подачі газу на силову турбіну дозволяє підвищити продуктивність турбокомпресора і підтримати режим роботи дизеля. Таким чином, система наддуву, налаштована на режим номінальної потужності, в експлуатаційних умовах не завжди відповідає вимогам оптимального повітряснабжіння дизеля в діапазоні зміни робочих режимів і параметрів зовнішнього середовища.

Рисунок 5.2 - Питома ефективна витрата палива ge на режимах без силової турбіни (1) і при включенні силової турбіни (2)

Як зазначалося, особливо чутливі до зміни режиму четирехтактні дизелі, що працюють на ВРШ. В силу впливу експлуатаційних факторів і недостатньої надійності головних дизелів тривалі режими повного ходу зазвичай призначають при потужності головних дизелів не більше (0.7-0.75) ·N е ном. Робота на цій потужності і номінальною частоті обертання супроводжується суттєвим зниженням ККД турбокомпресора у зв'язку з відхиленням робочої точки b компресора від лінії оптимального узгодження турбокомпресора (рисунок 5.3). Супутні експлуатаційні фактори (забруднення, параметри зовнішнього середовища) призводять до додаткового зниження тиску наддуву і витрати повітря. У результаті на режимі тривалої роботи досягаються граничні температури випускних газів і знижується надійність роботи дизеля. Містити підвищення теплонапруженісті дизеля в певною мірою допомагають регулярні промивки турбокомпресорів і повітряохолоджувачив фільтрів. Однак більш радикальні заходи вимагають оптимального узгодження характеристики турбокомпресора і дизеля саме на режимі тривалої експлуатаційної потужності. Найбільш просто необхідна корекція робочого режиму турбокомпресора досягається зменшенням пропускної здатності турбіни шляхом встановлення нового соплового апарата з меншим (на 5-10%) прохідним перетином соплових каналів. Без істотного впливу на ККД турбіни «стиснення» перетину соплового апарату на 5-7% виконують також підгібом вихідних кромок соплових лопаток або глушенням двох-трьох соплових каналів. Корекція соплових лопаток особливо необхідна, коли їх вихідні кромки деформовані в бік розкриття каналів, що іноді спостерігається в практиці очистки соплових апаратів пневмоінструментом.

Рисунок 5.3 - Корекція режимної лінії компресора четирехтактного дизеля зменшенням пропускної здатності турбіни (лінія 1) і частоти обертання дизеля (лінія 2): точка а - номінальний режим; b, с - експлуатаційний режим до корекції і після корекції.

На характеристиці системи наддуву викликаною такою корекцією зміна робочих режимів турбокомпресора показано стрілками. Зауважимо що при роботі на гвинт регульованого кроку зі зниженою частотою обертання дизеля робочі точки компресора розташовуються ближче до кривої оптимального ККД. Отже, в умовах роботи на ВРШ без валогенератора перехід на знижену частоту обертання шляхом збільшення кроку гвинта також сприяє кращому повітряснабжінню дизеля на режимі тривалої експлуатаційної потужності. У судовій практиці при узгодженні характеристик двотактних дизелів і турбокомпресора доводиться стикатися і з проблемою повітряснабжіння на режимах малого ходу.

У системах імпульсного наддуву вимоги Регістра до мінімально стійкої частоті обертання nmin<0.3·nnom. іноді вдається задовольнити зменшенням площі соплового апарата, або для підтримання продувки циліндрів і обертання турбокомпресора на режимах малого ходу передбачається додаткова подача повітря від вентилятора. У системі ізобарного наддуву це завдання вирішується шляхом установки на дизелі штатних, що забезпечують дизель повітрям при пусках і режимах малого та середнього ходу. Корекції турбокомпресора приділяється велика увага у зв'язку з оптимізацією витрат палива на робочих режимах повного ходу. В залежності від обраних параметрів гвинта і дизеля зміна пропускної здатності турбіни може становити до 15%. В окремих випадках може знадобитися і перехід на інший тип турбокомпресора.

На підставі викладеного сформулюємо основні положення по забезпеченню процесів газообміну і наддуву суднових дизелів в експлуатації.

1 Змінення основних параметрів тиску наддуву і витрата повітря, що визначають якість очищення і заряд повітря, обумовлюється впливом режимних факторів, параметрів зовнішнього середовища, станом дизеля, газоповітряних трактів та елементів систем повітряснабжіння.

2 Для головних суднових дизелів, що працюють на ВФШ, режимні фактори позначаються на погіршення газообміну наддуву у зв'язку зі збільшенням опору руху судна, коли робочі точки турбокомпресора зміщуються в область знижених значення ps і Gs. Аналогічний вплив мають підвищені температури зовнішнього повітря та забортною води при роботі в тропіках внаслідок зростання температур випускних газів і зниження масового заряду повітря. 3 Забруднення газорозподільних органів, трактів та елементів системи наддуву веде до підвищення гідравлічних опорів, зниження ККД і продуктивності компресора, росту температур випускних газів. У цих умовах нормальне повітряснабжіння ускладняться, посилюється ймовірність помпажа компресора, знижується потужність дизеля.

4 Регулярна промивка турбокомпресора і газоповітряного тракту є обов'язковим і ефективним заходом підтримання робочих параметрів наддуву в періоди між регламентними розкриттями і оглядами агрегатів наддуву.

Комбіновані системи наддування

Крім розглянутих основних систем, застосовують деякі більш складні комбіновані системи, до числа яких можна віднести двоступінчатий наддув і наддув із застосуванням перетворювачів імпульсів або ежекторів. Принцип роботи комбінованої системи з двоступінчатим наддувом схематично зображена на рисунку 5.4. Газ змінного тиску з циліндрів двигуна надходить до турбіни турбокомпресорів другої ступені. Після виходу з цих турбін газ надходить в ресивер 4 і вже при постійному тиску направляється в турбіну турбокомпресора першої ступені наддуву. Повітря спочатку стискується в компресорі першої ступені, а потім, пройшовши через проміжний холодильник повітря, у компресорі другого ступені наддуву і далі надходить у продувочний ресивер двигуна. Таким чином, турбіна першого турбокомпресора працює при змінному тиску газів, а друга - при постійному тиску. Сумарна ступінь підвищення тиску повітря

рк=рк1·рк2

де рк1 і рк2 - ступінь підвищення тиску відповідно в першому та другому ступенях наддуву. Така система дозволяє отримати високий тиск наддуву і застосовується для двигунів з підвищеним середнім ефективним тиском.