Анализ основных схем наддува судовых ДВС

На выбор схемы наддува оказывает влияние тип двигателя, уровень его форсировки, тип используемого турбонагнетателя, традиции дизелестроительных фирм. При выборе той или иной схемы стремятся удовлетворить ряд требований:

  1. Ообеспечить достаточное воздухоснабжение двигателя на всех эксплуатационных режимах его работы (при пуске, разгоне, на маневрах, при волнении моря) и в аварийных ситуациях;
  2. Обеспечить эффективное использование энергии газов — получить максимальную мощность турбины и максимальный кпд компрессора на основных эксплуатационных режимах работы;
  3. Работа компрессора должна быть устойчивой в отношении помпажа срыва потока воздуха, вызывающего вибрацию рабочего колеса, корпуса ГТН, шум и ряд других отрицательных явлений;
  4. Система наддува не должна быть излишне сложной по конструкции и в эксплуатации, должна предусматривать возможность корректировки характеристик турбокомпрессора и двигателя в процессе доводки на стенде и в эксплутационных условиях.

На рис. №1 даны шесть основных схем наддува, применяемых в судовых ДВС.

Схема одноступенчатого чисто газотурбинного наддува с импульсной турбиной и холодильником воздуха (рис. №1 — А) получила большое распространение в 4-тактных дизелях и в 2-тактных двигателях с прямоточными системами продувки (Бурмейстер и Вайн, Докс- форд, Сторк). Как правило, рядные 4-тактные дизели оснащаются одним ГТН, V-образные двумя ГТН. В 2-тактных двигателях устанавливается несколько нагнетателей на агрегат (один нагнетатель на 2-4 цилиндра). Схема отличается эффективностью использования энергии газов, простотой, устойчивостью работы на всех эксплуатационных режимах, достаточным воздухоснабжением, однако сравнительно трудоемка в настройке, не позволяет корректировать характеристики в эксплуатации. При выходе из строя газотурбонагнетателя воздухоснабжение 4-тактного дизеля обеспечивается всасывающим ходом поршня; в 2- тактном двигателе работой оставшихся исправных нагнетателей или автономной воздуходувкой. Во всех случаях мощность двигателя снижается.

Разновидностью схемы “А” является использование ГТН с наддувом при P=const. Такое решение, обладая всеми перечисленными выше достоинствами, позволяет уменьшить количество турбонагнетателей на 2-тактном двигателе. Схема более эффективна при высоких степенях наддува, однако при снижении нагрузки ниже 25-30% требует применения в 2- тактных ДВС автономного нагнетателя воздуха. В большинстве случаев это — электрический компрессор с автоматическим запуском.

Схема 2-ступенчатого чисто газотурбинного последовательного наддува (рис. №1 — Б) состоит из двух турбокомпрессоров и предусматривает охлаждение воздуха после каждой ступени наддува. Как правило, первая турбина по ходу газов импульсная, вторая турбина — постоянного давления. Схема удовлетворяет требованиям эффективности использования энергии газов, обеспечивает большие расходы воздуха по сравнению с 1- ступенчатой схемой при повышенных уровнях форсировки и прочих равных условиях, устойчива в отношении помпажа. Схема прошла опытную проверку на двигателях Бурмейстер и Вайн типа К 98FF, Сторк типа SW, Зульцер RND 105, MAH 4V 38/40 и др., однако пока не получила широкого распространения из-за своей сложности и трудности настройки системы на всем диапазоне эксплуатационных режимов работы двигателя. Схема применялась на серийно выпускавшихся двигателях Митсубиси тип ИЕС-Е, двигателях 20ЧН26/26 Коломенского тепловозостроительного завода.

Схема 2-ступенчатого последовательного комбинированного наддува (рис. №1 — В) включает в себя газотурбонагнетатели постоянного давления в качестве Бой ступени наддува и механического нагнетателя с приводом от коленчатого вала в качестве 2-ой ступени наддува. Как правило, механические нагнетатели — поршневого типа, с автоматическими клапанами. Схема применялась на двигателях фирм Гетаверкен, GMT (Фиат) и на отечественных двигателях завода им. Малышева. Как и все прочие системы последовательного комбинированного наддува, схема весьма устойчива в отношении помпажа на всех режимах эксплуатации, надежна, однако по эффективности использования энергии выпускных газов уступает системам чистого ГТН с импульсными турбинами.

Рис. 1 Основные схемы наддува судовых ДВС
  • А — одноступенчатый и Б — двухступенчатый чистый газотурбинный наддув;
  • В, Г, Д — последовательный комбинированный и Е — параллельный комбинированный наддув.

Схема 2-ступенчатого последовательного комбинированного наддува с импульсными газовыми турбинами, подпоршневыми полостями в качестве II-й ступени и индивидуальными ресиверами II-й ступени на каждый цилиндр изображена на рис. №1 — Г. Такая схема применена на двигателях Зульцер типа RD, широко использовавшихся на отечественном флоте. Конструкция укороченного поршня и желание уменьшить потерю заряда на IV-й фазе газообмена потребовали установки на выпуске управляющих заслонок, предотвращающих перетекание воздуха в выпускной коллектор при нахождении поршня в верхней части цилиндра.

В момент открытия выпускных окон поршень сжимает воздух во II-й ступени до давления Р = (1,30-1.35) РК, что предотвращает заброс газов, интенсифицирует продувку цилиндра. После НМТ воздух подается непосредственно из ресивера I-й ступени в ресивер II-й ступени (без сжатия в подпоршневой полости). Поэтому параметры в точке “а” цикла определяются давлением и температурой в продувочном ресивере I-й ступени.

По эффективности и устойчивости в отношении помпажа система примерно равноценна схеме “В”, однако конструкция II-й ступени у нее проще, поскольку нет необходимости в специальном насосе. Недостатками схемы является снижение эффективности II-й ступени при увеличении нагрузки двигателя (на режиме полного хода в двигателях в подпоршневой полости сжимается лишь часть воздуха — порядка 50% по объему и 75% по весу, а также наличие такого ненадежного узла, как заслонка на выпуске.

Указанных недостатков лишена схема с турбиной постоянного давления, примененная фирмой Зульцер в двигателях серии RND и последующих модификациях малооборотных машин (рис. №1 — Д). В этой схеме применен удлиненный поршень, перекрывающий выпускные окна при нахождении в ВМТ, что позволило отказаться от заслонок (правда, это не-сколько увеличило потерю заряда).

Эффективность использования II-й ступени повышена применением байпассируемого подвода воздуха через автоматически управляемые клапаны из ресивера I-й ступени непосредственно в местные ресиверы цилиндров II-й ступени, минуя подпоршневые полости. Сжимаемый в подпоршневой полости воздух предотвращает заброс газов, участвует в продувке и способствует балансировке мощности турбины и компрессора. Фирма МАН применяла аналогичную схему с импульсной газовой турбиной (при последовательно-параллельном комбинированном наддуве в двигателях KZ).

Система параллельного комбинированного наддува (рис. №1 — Е) применялась фирмой МАН с турбиной импульсного типа. Схема имеет высокие энергоэкономические показатели. По опытным данным, она обеспечивает лучшее воздухоснабжение, чем последовательные схемы. Ее недостаток — компрессор неминуемо попадает в помпажный режим при снижении нагрузки двигателя (о причинах этого пойдет речь при анализе характеристик наддува).

Достоинства системы параллельного комбинированного наддува по части воздухоснабжения послужили причиной объединения схем параллельного и последовательного наддува в одном агрегате. Часть подпоршневых полостей работает параллельно (не более 1/2), часть — последовательно. Такое объединение позволяет обеспечить устойчивую работу компрессоров на всех режимах и улучшить воздухоснабжение по сравнению с последовательными схемами. Параллельно работающие подпоршневые полости подают до 15-20% воздуха. Схема применялась во всех дизелях МАН серии KZ.

Оптимальным вариантом комбинированного наддува следует признать вариант, когда на полном ходу все подпоршневые полости работают параллельно, на малых ходах последовательно. Такая схема улучшает воздухоснабжение и в то же время устраняет помпаж. Она прошла опытную проверку в двигателях МАН, однако в серийных двигателях не налила применения.

В 70-80-е годы наиболее перспективной признавалась схема 2-ступенчатого последовательного чисто газотурбинного наддува. Расчеты показывали, что такая схема становится эффективной при Ре = 18-19 кг/см2 в 4-тактных ДВС и Ре = 13-14 кг/см2 — в 2-тактных ДВС. Тем не менее, сегодняшний уровень форсировки судовых дизелей (Ре = 17-19 бар в 2-тактных и Ре = 24- 26 бар в 4-тактных ДВС) повсеместно обеспечивается в 1-ступенчатом газотурбинном наддуве. Такое решение оказалось возможным благодаря успехам промышленности в создании новых высокоэкономичных агрегатов газотурбинного наддува. Возможно, что дальнейшая форсировка двигателей погребут схемы с использованием 2 ступеней газотурбинного наддува.

Август, 16, 2016 1744 0
Читайте также