Обеспечение баланса мощности турбины и компрессора в комбинированном двигателе

Особенности баланса мощности ГТН у 4-тактных двигателей

В 4-тактном дизеле в сравнении с 2-тактным:

  1. Выше температура выпускных газов;
  2. Ниже средняя температура цикла (из-за наличия насосных ходов);
  3. Меньше коэффициент избытка воздуха на продувку;
  4. Очистка цилиндра гарантируется наличием механического выталкивания газов поршнем.

Более высокая температура газов и меньшая средняя температура цикла указывают косвенно на возможность большей форсировки 4-тактного дизеля по сравнению с 2-тактным, что подтверждается практикой.

В 4-тактном дизеле тракт газообмена получается как бы разорванным, поскольку воз-душный ресивер, цилиндр и выпускной коллектор соединяются только в период продувки. Эжектирующее действие газов, получивших импульс от выталкивающего хода поршня, обеспечивает продувку цилиндра (поступление в него воздуха на участке Δφ = 55 + 50 0 пкв, рис. №1 ) даже в том случае, когда давление в продувочном ресивере равно или несколько меньше давления в выпускном коллекторе, т.е. при Ps < Рт.

С точки зрения обеспечения двигателя воздухом на сгорание в 4-тактном дизеле с ГТН не возникает проблем на всех режимах его экспулатации. На малых нагрузках, когда ГТН не обеспечивает подачу воздуха в продувочный ресивер, воздухоснабжение дизеля осуществляется за счет насосных ходов поршня, которому приходится преодолевать сопротивление всего газового тракта (в том числе турбины и компрессора).

В 4-тактных двигателях нет проблемы взаимного согласования всех элементов системы газотурбинного наддува, тщательного решения вопросов баланса их мощности. Баланс мощности ГТН удавалось обеспечить даже при весьма низком суммарном кпд турбокомпрессора: η тк = 0,35-0,40. При наддуве могут быть применены газотурбонагнетатели любого типа — как с наддувом при P=const, так и импульсные, последние применяются чаще.

В зависимости от частоты вращения двигателя и степени наддува, угол опережения открытия выпускного клапана колеблется в пределах φ1 = 30-700 пкв до НМТ рис. №1, угол запаздывания закрытия φ2 = 40-600 пкв после ВМТ. Суммарная продолжительности выпуска φвып = 260-3100 пкв. Чтобы не мешать продувке соседних цилиндров, при импульсном ГТН выпуск отработавших газов в ту же ветвь трубопровода может производиться при определенном промежутке между вспышками. С учетом пробегания волны давления от цилиндра к цилиндру при сгруппировании 3-х цилиндров в 1 выпускной коллектор и чередовании вспышек через 2400 пкв, достигаются хорошие результаты. Это — наиболее оптимальная компоновка с точки зрения использования энергии импульсов давления. В то же время, обеспечиваются хорошие условия наполнения и очистки цилиндров.

При 2-цилиндровой компоновке на 1 выпускной коллектор достигаются несколько лучшие условия очистки цилиндров (при чередовании вспышек через 3600 пкв). Однако такая схема более сложна — на каждые 2 цилиндра требуется отдельный коллектор; кроме того, снижается эффективность срабатывания энергии импульсов давления. Если интервал между вспышками в цилиндрах, от которых осуществляется выпуск в 1 ветвь трубопроводов, значительно больше, чем период выпуска из одного цилиндра, то эта ветвь опорожняется от газов, давление в ней приближается к давлению за турбиной. Последующий импульс должен вначале наполнить ветвь трубопровода, из-за чего теряется энергия давления, наиболее эффективная для преобразования в работу турбины.

При применении наддува при P=const обеспечивается более равномерное распределение воздуха по цилиндрам, меньше удельные расходы топлива gе при более высоких степенях наддува. Однако с турбиной постоянного давления равенство давления в продувочном ресивере Pа и в выпускном коллекторе Рт (Ps = Рт) достигается при более высоких уровнях среднего эффективного давления Ре, чем при импульсном наддуве. В результате на частичных нагрузках наблюдается обратный поток газов из выпускного коллектора в продувочных ресивер в период фазы продувки, закоксовывание каналов, перегрев клапанов, ухудшение очистки цилиндров. На режимах полной мощности перепад давления ΔР = Ps — Рт меньше, чем при наддуве P=var, что уменьшает коэффициент избытка воздуха на продувку. При этом увеличивается теплонапряженность, хуже приемистость двигателя при резких набросах нагрузки, раньше достигается граница дымления при разгоне двигателя, выше температура газов (так как меньше φа.)

Тем не менее, при высоких уровнях наддува все чаще переходят к наддуву при P=const. С целью повышения эффективности системы ГТН и улучшения очистки цилиндров применяют так называемые “преобразователи импульсов” (по симметричной 4-импульсной схеме с индивидуальным преобразователем на каждый цилиндр, рис. 3, или комбинированные решения).

Во всех случаях стремятся за счет эжектирующего эффекта с помощью сопел и создаваемого ими скоростного напора улучшить очистку цилиндров, а затем повысить эффективность использования располагаемой энергии газов путем преобразования скоростного напора в энергию давления в диффузоре, установленном то ли перед турбиной, то ли на выходе из каждого цилиндра.

Рис. 3 Схема преобразователя импульсов 4-тактного V-образного дизеля

 

Смотрите также:

а) Условие баланса мощности газотурбонагнегателя
в) Особенности баланса мощности ГТН у 2-тактных дизелей

Август, 15, 2016 299 0
Читайте также