Характеристики систем газообмена и наддува в СДВС

Наддув — это принудительное повышение давления воздуха выше текущего атмосферного уровня во впускной системе ДВС, а газообмен — это процесс опорожнения цилиндров продуктами сгорания и заполнения их новым зарядом.

В данном материале рассматриваются как эти понятия, так и их свойства для разных ЛДВС и режимов работы.

Гидравлические характеристики продувочно-выпускного тракта

При рассмотрении характеристик дизельного двигателя можно отметить большое влияние подачи воздуха на рабочий процесс и параметры теплового напряжения. Можно выяснить характер изменения подачи воздуха к дизелю на разных режимах, знать закономерности изменения характеристик газообмена и наддува в зависимости от конструкции системы, условий эксплуатации и режима работы двигателя.

Совместная работа дизеля и нагнетателя воздуха — компрессора — определяется пересечением 2-х свойств: гидравлических свойств очистительного тракта выхлопа и свойств нагнетателя.

Гидравлическая характеристика продувочно-выпускного тракта представляет собой зависимость давления в определенных точках газовоздушного тракта (в продувочном ресивере, в выпускном коллекторе перед газовой турбиной, после газовой турбины) от расхода воздуха через двигатель на установившихся режимах работы.

Обычно давление и расход воздуха принимают в относительной форме:

Ps = Ps/Ро;

Пм = Пм/Ро;

Пг = Пг/По;

Gs = G’g/Gs. Форма. 1

Здесь:

  • Ps – давление в ресивере очистки;
  • Pm – давление газа перед газовой турбиной;
  • Pg – давление газа после газовой турбины;
  • Po – атмосферное давление;
  • Gs – массовый расход воздуха в режиме, принятом за эталон;
  • G’s — расход воздуха в произвольном стационарном режиме.

Согласно уравнению неразрывности второй массовый расход воздуха определяется уравнением:

Gs = µfeq Cs ρS, Форма. 2

где:

  • мкэкв — эквивалентное эффективное сечение газовоздушного тракта;
  • Cs – средняя скорость полета;
  • ρS – плотность воздуха.

Для докритического истечения скорость воздуха можно найти из уравнения:

Cs = 2lp = 2kk – 1 Psνs – Pmνm, Форма. 3

где:

  • lp — доступная работа при расширении воздуха от давления Ps до давления Pm;
  • νs, νm – удельные объемы воздуха и газа в ресивере очистки и перед газовой турбиной.

Подставив значение скорости Cs в уравнение течения (формула 2) и проведя преобразования, получим:

Gs = µfeq PsρsΨs,

где:

  • Ψs = 2kk – 11 – PmPsk–1k

    функция дифференциального давления.

В относительной формуле вы можете записать скорость потока как:

Gs = Gs′Gs = µfequiv′ Ps′ρs′Ψs′µfequiv PsρsΨs·P0P0.

Подставим плотность воздуха в приведенную выше формулу, исходя из уравнения состояния: ρs = Ps/RTs — и выберем слева относительное изменение давления в продувочном ресивере. Мы получаем:

Ps′Ps = Gs µfequipPs Ts′ ΨsµfequipP0 Ts Ψs′. Форма. 4

Аналогично для давления перед турбиной можно написать:

Pm′P0 = Gs µfmPm Tm′ Ψmµfm′P0 Tm Ψm′, Form. 5

где:

  • Tm – средняя температура газа перед турбиной;
  • Ψm является функцией перепада давления Pm/Pg.

Наиболее важной является зависимость Ps/Po = ƒ(Gs). Он используется для характеристики системы наддува и напрямую влияет на положение рабочей точки компрессора. Кривая Ps/Po = ƒ(Gs) также называется «токовой характеристикой двигателя”.

Давление в разных точках системы находится в сложной зависимости от режима работы, состояния двигателя, воздушного и газового трактов и устройств наддува. При постоянном состоянии канала и турбокомпрессоров можно принять μƒэкв = 1, μƒм = 1, задача построения гидравлических характеристик упрощается. Для построения кривых Ps/Po = ƒ(Gs), Рm/Рo = ƒ(Gs) достаточно задать значения

Мистер

= 1,0; 0,9; 0,8; и соответствующие относительные значения температуры газа перед ГТН Тм и воздуха в ресивере очистки Ц.

Температура воздуха в ресивере Тс изменяется в узких пределах. Можно предположить, что при любом способе регулирования температуры значение Ts поддерживается постоянным; тогда Ts = 1. Температура газа перед турбиной Tm изменяется на гораздо большей площади. Его можно найти из уравнения теплового баланса для выхлопных газов:

qгаз = Gs C Tm – Ts. Форма. 6

С другой стороны, теплоту выхлопных газов можно оценить по зависимости:

qгаз = QH fpl ha ηn γm n δqгаз. Форма. 7

где:

  • fpl ha ηn γm = gc – цикловая подача топлива;
  • Qn – теплотворная способность топлива;
  • n – частота вращения;
  • δqgass – относительная доля тепла с уходящим газом.

Комбинируя две приведенные выше зависимости, можно найти связь между температурным перепадом в произвольном и «опорном» режимах:

Tm′ – Ts′Tm – Ts = ha′ ηn′ n′ δqgas′ Gsha ηn n δqgas Gs′. Форма. 8

Как видно из полученной зависимости, при разных значениях Gs изменение температуры Tm зависит от режима работы двигателя — изменения частоты вращения n, подачи топлива (величины ha и ηn), относительных теплопотерь при выхлопных газах δqгаз, и изменении температуры воздуха в ресивере Ц. Через температуру Тм проявляется связь между гидравлическими свойствами реального двигателя и процессами в цилиндре, системы подачи топлива Назначение, классификация, схемы работы систем подачи топлива в судовых дизелях и подачи воздуха при работе двигателя в различные режимы. Теоретически установить эту связь в явном виде очень трудно. Поэтому зависимости Tm = ƒ(Gs) устанавливаются на основании данных специальных теплобалансовых испытаний двигателя.

Приблизительная картина кривых зависимости средней температуры газа перед турбиной от режима работы двигателя дана на рис. 1.

Характеристики систем газообмена и наддува в СНФ

Рис. 1 Изменение средней температуры газа перед ГТН в процессе эксплуатации по внешней (1), нагрузочной (2) и винтовой (3) характеристикам

Как видно, для режимов внешней характеристики (кривая 1) средняя температура газа Tm изменяется мало при значительном уменьшении расхода воздуха. При работе по нагрузочно-винтовой характеристике (кривые 2 и 3) при снижении нагрузки и уменьшении расхода воздуха температура Тпл значительно падает.

Используя экспериментальные данные для температур, можно построить графики зависимости Ps/Po и Pm/Po от относительного расхода воздуха

Мистер

. Для режимов с винтовой нагрузочной характеристикой уменьшение подачи топлива приводит к значительному уменьшению Тпл, что сопровождается большим перепадом давления Рп/Ро и Рт/Ро при снижении расхода воздуха, чем по внешней характеристике.

Как видно из рис. 2 зависимость от давления в очистном ресивере Ps/Po = f(Gs) для нагрузочной характеристики 2 ниже, чем при работе по внешней характеристике 1, а по винтовой характеристике 3 еще ниже. Зависимости давления газа перед турбиной Pm/Po = f(GS), приведенные на рисунке штриховой линией, имеют аналогичный характер. По мере утяжеления винта при том же массовом расходе воздуха температура газов увеличивается, что приводит к увеличению его удельного объема, расходов и удельного гидравлического сопротивления. Поэтому при работе на тяжелом винте гидравлическая характеристика 4 смещается влево, в область с меньшим расходом воздуха. Для достижения того же массового расхода воздуха необходимо увеличить давление наддува Ps.

Характеристики систем газообмена и наддува в СНФ

Рис. 2 Гидравлические характеристики систем наддува наружного (1), грузового (2), гребные характеристики легкого (3) и тяжелого (4) движителей

Расстояние между кривыми Ps/Po = f(Gs) и Pm/Po = f(Gs) характеризует потерю давления на выходе из цилиндра. Эти потери для конкретного двигателя определяются конструкцией и степенью загрязнения средств газообмена.

Характеристики систем механического наддува

Объемный компрессор

Компрессоры прямого вытеснения в виде поршневого воздушного насоса или роторного вентилятора с приводом от коленчатого вала встречаются в старых двигателях с низким наддувом. Особенностью объемного компрессора является практически постоянная производительность при различных уровнях давления Pc/Po = f(Gs), развиваемого компрессором, и постоянная скорость. Поэтому при увеличении противодавления на выходе (за счет перехода на гидравлическую характеристику Ps / Po = f(Gs) для повышенного противодавления, приведенную на рис. 3 штриховой линией) давление наддува Ps увеличивается с небольшое уменьшение расхода воздуха.

Характеристики систем газообмена и наддува в СНФ

Рис. 3 Сочетание характеристик объемного компрессора (Рк/P0) и гидравлических характеристик дизеля (Рs/P0)

Таким образом, подача воздуха к дизелю с объемным компрессором (поршневым или роторным) малочувствительна к изменению сопротивления дороги. Однако с увеличением сопротивления газовоздушного тракта увеличивается давление наддува Ps, что приводит к увеличению давления сжатия Pc, максимального давления в цилиндре Pz и увеличению механического напряжения двигателя. При этом увеличивается мощность привода нагнетателя, снижается механический КПД и увеличивается удельный эффективный расход топлива.

Дизель с объемным компрессором не имеет проблем с подачей воздуха на всех режимах работы. Необходимо только согласовать характеристики дизеля и компрессора для точки номинального режима. При снижении нагрузки такой двигатель работает так же, как и безнаддувный дизель — увеличивается избыток воздуха для горения при снижении среднего эффективного давления при работе как по нагрузочной, так и по пропеллерной характеристикам.

Центробежный компрессор

В отличие от поршневого компрессора, у центробежного компрессора с постоянной частотой вращения характеристики Pк/Po = ƒ(Gs) более пологие (рис. 4). При увеличении противодавления на выходе при постоянной частоте вращения производительность компрессора снижается, а выходное давление Рк возрастает до определенного предела. Дальнейшее увеличение противодавления приводит к остановке потока, прерывистой (помпажной) работе компрессора, снижению давления и расхода воздуха, колебаниям давления на входе и выходе, сильному шуму.

Характеристики систем газообмена и наддува в СНФ

Рис. 4 Сочетание характеристики центробежного компрессора (Pk/P0) с гидравлической характеристикой (Ps/P0)

Линия, проходящая через максимальные точки кривых Pk / Po = ƒ (Gs) при постоянной частоте вращения компрессора (n1, n2, n3 и т д.), называется пределом помпажа. Он определяет режимы, при которых устойчивая работа компрессора становится невозможной из-за отрыва потока и противотока воздуха на лопатках диффузора, рабочем колесе и лопатке компрессора. Физически явление волн при снижении производительности и увеличении противодавления и сбросе и снижении производительности всегда вызвано уменьшением угла потока β в лопаточном диффузоре и в рабочем колесе компрессора и результирующим расходом воздуха останавливается.

Если центробежный компрессор установлен на двигателе (имеет механический привод от коленчатого вала), то его объемная мощность изменяется пропорционально частоте вращения, а давление нагнетания пропорционально квадрату частоты вращения. Поскольку плотность пропорциональна давлению воздуха, плотность также изменяется пропорционально квадрату скорости вращения. Массовый расход воздуха через компрессор пропорционален произведению объемного КПД и напора. Следовательно, для центробежного компрессора массовый расход воздуха изменяется пропорционально кубу частоты вращения коленчатого вала.

Кубическая зависимость между массовым расходом воздуха и частотой вращения объясняет невозможность реализации механического наддува центробежным компрессором в маршевых двигателях с фиксированным шагом. С таким компрессором работа двигателя будет обеспечена только в одной точке. При снижении скорости вращения расход воздуха уменьшится в большей степени, чем уменьшится цикловая подача топлива (пропорционально n3 и n2 соответственно). Поэтому механический наддув центробежным компрессором можно применять только в двигателях, работающих по нагрузочной характеристике.

Характеристики систем газотурбинного и комбинированного наддува

Чистый газотурбинный наддув

В судовых двигателях внутреннего сгорания в качестве наддува используются осевые газовые турбины, которые располагаются на том же валу, что и центробежный компрессор. Характеристики компрессора газового турбокомпрессора имеют тот же вид, что и характеристики центробежного компрессора с механическим наддувом (рис. 4). Однако подача воздуха в двигатель принципиально отличается.

При чисто газотурбинном наддуве режимы работы компрессора зависят от гидравлической (расходной) характеристики двигателя. В процессе дефектации двигателя на стенде при согласовании характеристик дизеля и компрессора стремятся к тому, чтобы характеристики расхода двигателя находились в зоне максимального КПД компрессора.

Согласование характеристик представляет собой сложный процесс, включающий в себя подбор соответствующих конкретному дизелю агрегатов наддува, установку определенных проходных сечений и углов наклона направляющих аппаратов турбины и компрессора, подбор угла опережения впрыска топлива в цилиндр и т д. Основным требованием к согласованию характеристик является обеспечение достаточной мощности газовой турбины и, следовательно, достаточной производительности компрессора, гарантирующего подачу воздуха к двигателю на всех возможных режимах работы.

Следует отметить, что в последние годы в высокофорсированных 2-тактных двигателях с чисто газотурбинным наддувом при Р=const это требование не выполняется — тихоходные режимы обеспечиваются не газовым турбокомпрессором, а электрическим компрессором. Как указано в статье «Обеспечение баланса мощностей турбины и компрессора в комбинированном двигателе» Наддув судовых дизелей, такое решение объясняется стремлением повысить показатель и эффективные показатели рабочего процесса дизеля на полных оборотах (за счет к более позднему открытию газоотводов показатель работы в цилиндре увеличивается и уменьшается располагаемая работа газов перед газовой турбиной).

Примерный обзор характеристик двигателя и компрессора с чисто газотурбинным наддувом дан на рис. 5. Как видно, линии режимов работы компрессора, определяемые гидравлическими характеристиками двигателя 1, 2, 3, проходят в зоне максимального КПД компрессора правее границы помпажа 4. Рабочий точка компрессора (точка А) должна находиться на достаточном расстоянии от ограничителя помпажа для обеспечения надежной работы при изменении условий работы двигателя.

Характеристики систем газообмена и наддува в СНФ

Рис. 5 рядов режимов работы компрессора ГТН по внешней (1), нагрузочной (2) и винтовой (3) характеристикам; 4 — предел перенапряжения

Запас на возможное ухудшение условий труда оценивается коэффициентом помпажной устойчивости Ку, равным отношению между параметрами подачи воздуха в точках А и В (рис. 6):

Ky = Pk/GsB:Pk/GsA–1 100%. Форма. 9

Запас по перенапряжению во всех режимах работы должен быть не менее 15 %. На режимах винтовой и нагрузочной характеристик линии режима работы компрессора достаточно крутые, благодаря чему обеспечивается стабильная работа компрессора во всем рабочем диапазоне нагрузок. При малой нагрузке, при уменьшении расхода воздуха, КПД компрессора несколько снижается. При нахождении судна в балласте гидравлические характеристики и режимы работы компрессора смещаются вправо, в область больших расходов; в то же время запас волны увеличивается. Наоборот, при переходе на характеристику тяжелой прокрутки рабочие точки компрессора приближаются к пределу помпажа, и запас по помпажу уменьшается.

Характеристики систем газообмена и наддува в СНФ

Рис. 6 Характеристики систем наддува при параллельной работе двух ГТН.
1 – кривая Ps/P0; 2 – кривая Pc/P0; 3 — предел перенапряжения

Наиболее неблагоприятные условия работы компрессора возникают при работе по внешней характеристике (кривая 1). Увеличение сопротивления газовоздушного тракта может вызвать неустойчивую работу компрессора при приближении рабочей точки к пределу перенапряжения 4.

При параллельной работе нескольких газовых турбокомпрессоров с общим ресивером и одинаковой производительностью компрессора производительность одного ГТУ определяется делением суммарного расхода воздуха (кривая 1 на рис. 6) на количество компрессоров. Общий расход воздуха на двигатель определяется гидравлической (расходной) характеристикой. При работе 2-х компрессоров производительность каждого из них равна 0,5 от общего расхода при заданном давлении. В действительности кривые режимов работы турбокомпрессора несколько отличаются из-за неидентичности продувочного выхлопного тракта, самих турбокомпрессоров и неравномерной нагрузки на цилиндры.

Последовательный комбинированный наддув

В судовых двигателях с комбинированной последовательной системой наддува роль 1-й ступени выполняют газовые турбокомпрессоры. В качестве 2-х ступеней используются либо нижние поршневые полости цилиндров, либо специальные воздушные насосы с приводом от коленчатого вала. Для анализа условий работы системы наддува в первом приближении будем считать, что расходы воздуха через 1 и 2 ступени равны, а полное давление в воздушной емкости 2 ступени Ps определяется повышением давления в 1 .(Pk) и 2 ступени th (ΔPs) ступени:

Гс1 = Гс2 = Гс;

Ps = Pc + ∆Ps. Форма. 10

В этих условиях характеристики системы наддува можно представить так, как показано на рис. 7. Из рисунка видно, что кривая компрессора 2 расположена ниже гидравлической характеристики двигателя 1, что создает благоприятные условия для работы компрессора на всех режимах в условиях перенапряжения (кривая 2 далека от предела перенапряжения) . По мере увеличения нагрузки двигателя и увеличения расхода воздуха степень повышения давления на 1-й ступени увеличивается, а на 2-й уменьшается, что способствует рациональному распределению мощности между ступенями наддува при изменении нагрузки.

Характеристики систем газообмена и наддува в СНФ

Рис. 7 Характеристики последовательного комбинированного наддува.
1 – характеристика двигателя Ps/P0; 2 — характеристика компрессора Pc/P0; 3 — предел перенапряжения

Как показывает практика, при работе по нагрузочной и винтовой характеристикам при снижении нагрузки происходит полное отключение первой форсированной ступени при Gs=0,4-0,6. Левее точки С подача воздуха полностью обеспечивается второй ступенью наддува, мощности газовой турбины недостаточно для создания необходимого давления компрессора; компрессор только создает дополнительное гидравлическое сопротивление на всасывании поршневого насоса на второй ступени наддува.

Для уменьшения гидравлического сопротивления при всасывании 2-й ступени в некоторых двигателях (особенно в тихоходных двигателях от Гётаверкена) на ресивере 1-й ступени устанавливались тарельчатые клапаны, автоматически открывающиеся при падении давления в ресивере ниже атмосферного.

Наличие 2-х ступеней наддува обеспечивает надежную подачу воздуха в двигатель при пуске и при маневрировании. В случае выхода из строя турбокомпрессора продувочные насосы обеспечивают работу двигателя на мощности до 50-70% от номинальной. Недостатком рассмотренной выше схемы наддува является необходимость использования высокоразвитой 2-й ступени, обеспечивающей на полном ходу избыток воздуха для очистки не менее φа — 1,20-1,25.

Поэтому на первых моделях двигателей MAN, где использовалась такая компоновка, вторая ступень была образована полостями под поршнями цилиндров и дополнительными промывочными насосами, установленными на конце двигателя. Если дополнительные откачивающие насосы не использовать из-за недостаточной производительности 2 ступени, он отключится в точке К (рис. 7). Справа от этой точки подача воздуха в двигатель будет осуществляться только компрессором.

В схемах последовательного наддува с обходной 2-й ступенью (см статью Судовой дизельный наддув «Анализ основных схем наддува судовых ДВС») нет равенства между расходами воздуха через 1-ю и 2-ю ступени. Турбокомпрессоры работают в более широком рабочем диапазоне — они отключаются при уменьшении расхода при меньших нагрузках (точка С смещается влево), а точка К находится вне графиков, т.е при номинальной нагрузке воздух частично «сжимается» на 2 ступени разгона.

Параллельный комбинированный наддув

При параллельном комбинированном наддуве расход воздуха к двигателю равен сумме подач параллельных компрессоров, а давление в каждом компрессоре равно и равно давлению наддува. Если представить, что параллельный наддув обеспечивается работой газового турбокомпрессора и полостей под поршнем дизеля, то можно написать:

Гс = Гк + Гн,

Ps = Pk = Pn, форма одиннадцать

где:

  • Gк — подача воздуха компрессора ГХН;
  • Gn — подача воздуха в поршневую полость;
  • Рс, Рк, Рн — давление в ресивере очистки, на выходе из компрессора и после полостей под поршнем.

Свойства такой системы наддува показаны на рис. 8. Работа компрессора определяется кривой 1, проходящей через гидравлическую характеристику двигателя 2.

Характеристики систем газообмена и наддува в СНФ

Рис. 8 Характеристики параллельной перезарядки.
1 – кривая работы компрессора Pk/P0; 2 – характеристика двигателя Ps/P0; 3 — предел перенапряжения

На режимах номинальной нагрузки подача воздуха в двигатель с параллельными рабочими камерами под поршнем Обслуживание системы продувки подпоршневых полостей лучше, чем при последовательном соединении подпоршневых полостей. Однако при малых расходах воздуха в точке D (рис. 8) энергии газа теоретически недостаточно для преодоления компрессором ГТН давления, развиваемого полостями под поршнем; компрессор перестает подавать воздух. На практике компрессор выключается еще раньше — в точке С, где характеристика компрессора 1 и предел перенапряжения 3 пересекаются.

Поэтому, несмотря на хорошие показатели подачи воздуха при полной нагрузке, чисто параллельный комбинированный наддув не может быть организован во всем диапазоне работы судового дизеля. Компрессор неизбежно переходит в волновой режим с уменьшением расхода воздуха — по внешней характеристике ударный возникает при больших расходах Gs, а по нагрузочной и винтовой характеристикам — при меньших Gs.

Стабильная работа компрессора при пониженной нагрузке может быть обеспечена регулировкой свойств:

  • перевод полости под поршнем с параллельной на последовательную;
  • сброс части подаваемого турбокомпрессором воздуха в атмосферу через противопомпажный клапан или люк продувочного ресивера;
  • подключение специальных воздушных эжекторов, подсасывающих воздух из выхлопной трубы к турбокомпрессору.

Во всех случаях регулировки расход воздуха через турбокомпрессор увеличивается, давление нагнетания компрессора уменьшается, что отдаляет рабочую точку от предела помпажа.

Параллельный наддув встречается на кораблях ВМФ как элемент последовательно-параллельной системы с комбинированным наддувом в дизелях MAN с петлевой системой газообмена.

Последовательно-параллельный комбинированный наддув компрессора

Как указано в статье Наддув судовых дизелей «Анализ основных схем наддува судовых двигателей внутреннего сгорания», в двигателях MAN KZ применяется последовательно-параллельный комбинированный наддув. Так в двигателе K9Z 70/120A 3 полости под поршнем работают параллельно, 6 последовательно. В двигателе К8З 70/120Е 4 полости работают параллельно, 4 — последовательно: при снижении оборотов одна из параллельных рабочих полостей под поршнем автоматически переключается на последовательную работу. Такое сочетание контуров наддува придает системе новые свойства — улучшает подачу воздуха по сравнению с последовательной схемой и в то же время исключает неустойчивую работу компрессора на всех режимах работы, характерную для параллельных схем.

Предположим, что весь воздух, подаваемый компрессором ГВД под давлением Рк, проходит через последовательно работающие нижние поршневые полости, где давление повышается до Рс. Общий расход воздуха через двигатель определяется суммой производительностей компрессора

Гк

и параллельные рабочие полости под поршнем

Гпар

сжимать воздух под давлением Ps. В этих условиях мы можем написать уравнения:

Gk = Gseq;

Gs = Gk + Gпар;

Ps = Pc + ∆Pseq, Ps = Pпар. Форма. 12

При известных числовых значениях величин, входящих в вышеприведенные уравнения, известных расходных характеристиках двигателя режим работы компрессора определяется вычитанием из общего расхода воздуха на двигатель параллельной добавки (точка А на рис. 9

Гпар

при Ps/Po = const (точка B) и смещении полученной ординаты от точки B вниз до давления Pk/Po (точка C).

Таким образом, подача воздуха в двигатель характеризуется точкой А, а работа компрессора одновременно характеризуется точкой С.

Характеристики систем газообмена и наддува в СНФ

Рис. 9 Характеристики последовательно-параллельного наддува.
1 – кривая работы компрессора Pk/P0; 2 – характеристика двигателя Ps/P0; 3 — ограничитель перенапряжения; 4 — характеристики компрессора с чисто параллельным и 5 — чисто последовательным наддувом

Выполняя такой расчет для разных режимов, можно получить ряд режимов работы компрессора Pк/Po = ƒ(Gs). Это может пересекать характеристики потока двигателя. Очевидно, изменяя количество параллельно и последовательно соединенных полостей под поршнем, можно обеспечить оптимальную адаптацию характеристик двигателя и компрессора, когда на всех режимах обеспечивается наивысший КПД компрессора и достаточный запас по помпажу.

Влияние эксплуатационных факторов на работу турбокомпрессора и двигателя

Загрязнение компрессора

Загрязнение воздушного фильтра и проточной части компрессора является наиболее распространенной причиной снижения давления наддува Ps и уменьшения расхода воздуха Gs. Основной причиной загрязнения проточной части является попадание масла через лабиринтные уплотнения компрессора или из окружающей среды. Химический анализ загрязняющих веществ показывает, что ок. 80% составляет органическая часть (масло и продукты его полимеризации); остальные загрязняющие вещества представляют собой неорганические соединения (соли магния, железа, алюминия).

Во всех случаях загрязнения воздушных фильтров (падение давления на фильтре более 50-300 мм вод ст.), рабочего колеса, крыловидного диффузора, улитки приводит к увеличению гидравлического сопротивления в канале, снижению КПД компрессора и снижение расхода воздуха. Загрязнение диффузора заслонки продуктами полимеризации масла как бы меняет угол установки лопаток, что не только снижает КПД, но и может вызвать остановку потока (компрессорный удар). Снижение КПД компрессора приводит к ухудшению КПД дизеля. Так, по испытаниям фирмы Sulzer, снижение КПД турбокомпрессора с 62 до 54 % привело к увеличению удельного эффективного расхода топлива на 6-7 г/эл.час.

Характеристики систем газообмена и наддува в СНФ

Пример грязного турбокомпрессора
Источник: freeimages.com

Для поддержания параметров наддува на необходимом уровне в инструкции по эксплуатации двигателя предусмотрена периодическая чистка турбокомпрессоров через 3-5 тыс моточасов. Практика эксплуатации выдвинула требование систематической промывки турбокомпрессора водой или моющим раствором во время работы двигателя, что нашло отражение в рекомендациях фирм. Для промывки установлена ​​специальная система. Так, для TC типа VTR454 емкость бака составляет 1,01 литра, для VTR564 и VTR714 емкость бака составляет 2,51 литра.

Через равные промежутки времени (раз в сутки или по мере необходимости, о чем свидетельствует снижение давления наддува примерно на 10 %) в бак заливают чистую воду; при работе дизеля на полную нагрузку вода подается непосредственно на вход компрессора, минуя воздушный фильтр под действием давления продувочного воздуха.

Время стирки 4-10 секунд. Повторное мытье должно быть не менее чем через 10 минут. Количество процедур зависит от состояния компрессора. После промывки компрессор должен находиться под нагрузкой не менее 1 часа для просушки. При загрязнении входного фильтра компрессора (падение давления на фильтре более 50-100 мм вод ст.) сегменты фильтра снимаются и очищаются в моющем растворе или паром.

Загрязнение продувочно-выпускного тракта

Загрязнение воздухоохладителей, газораспределительных каналов и органов, защитной сетки перед турбиной, котла-утилизатора и глушителя приводит во всех случаях к уменьшению эффективного проходного сечения газовоздушного тракта мкэкв и к снижение расхода воздуха

Мистер

при тех же скоростях оттока Cs: Gs = μƒeq Cs ρs.

Гидравлическая характеристика смещена влево, в область меньших затрат. В чисто газотурбинных схемах наддува при неизменной цикловой подаче топлива давление Ps изменится незначительно, но запас по помпажу уменьшится. Характерным признаком загрязнения канала является повышение температуры выхлопных газов, при сильном загрязнении — нестабильная (колебательная) работа турбокомпрессора.

При последовательном комбинированном наддуве (2 ступени объемного типа) изменение мкэкв мало влияет на изменение расхода воздуха. Давление нагнетания 1-ступенчатого компрессора изменяется незначительно, режим работы сохраняется. Однако такие условия достигаются за счет увеличения нагрузки 2 ступени, что увеличивает мощность механических потерь двигателя, снижает механический КПД и несколько снижает частоту вращения коленчатого вала.

Для сохранения той же скорости необходимо увеличить подачу топлива, а это приводит к повышению температуры выхлопных газов, увеличению давления Ps и Pm. При сильном загрязнении воздушного тракта возможен переход в режим неустойчивой работы компрессора. Характерным признаком загрязнения органов газораспределения и газового тракта является, таким образом, повышение давления Ps при сильном загрязнении газовоздушного тракта — компрессорной волны.

В параллельных комбинированных системах наддува при загрязнении тракта и смещении гидравлической характеристики влево при Ps = const произойдет перераспределение доли подаваемого воздуха — уменьшится относительная подача на компрессор. На практике, когда Ps/P0 = const, рабочая точка компрессора сместится к пределу перенапряжения.

При закоксовывании сопла и рабочих каналов турбины, помимо уменьшения эффективного сечения мкэкв, снижается КПД турбины, что снижает мощность и приводит к еще большему снижению подачи воздуха и увеличению по температуре выхлопных газов.

При загрязнении отходов из котла и шумоглушителя увеличивается противодавление в турбине, что также снижает мощность турбины, уменьшает расход воздуха и повышает температуру Tпл. Обычно противодавление на выходе из турбины составляет 200-300 мм вод ст при полной нагрузке двигателя. Однако следует отметить, что изменение давления Рг мало влияет на характеристики наддува (практически ничего не меняется при увеличении противодавления до Рг = 600-650 мм вод ст.).

Правильная чистота промывочного и выпускного тракта поддерживается при проведении профилактических ремонтов (чистка двигателя) цилиндра или двигателя через каждые 3-8 тыс часов работы. Систематическая «сухая» и «мокрая» очистка газовой турбины, промывка компрессора и охладителя продувочного воздуха выполняются при работающем двигателе. В последние годы в экспериментальном порядке практикуется очистка газовоздушного тракта с помощью специальных чистящих средств, вводимых в воздуховод во время работы двигателя. При этом можно улучшить подачу воздуха, увеличить период между чистками цилиндров двигателя. Более подробно эта проблема рассмотрена в статье «Ежедневное обслуживание двигателя”.

Изменение температуры воздуха и газов

Любое повышение температуры воздуха и выхлопных газов из-за загрязнения воздухоохладителя, повышения температуры наружной воды и наружного воздуха, ухудшения процесса сгорания приводит к сдвигу гидравлической характеристики двигателя влево, к район меньшего расхода воздуха. При этом увеличивается располагаемая энергия газов перед ГТН, что одновременно несколько увеличивает давление Ps и Pm.

Так, на газотурбинном наддувном двигателе повышение температуры воздуха и газа приводит к небольшому уменьшению расхода воздуха, увеличению давления в ресивере-поглотителе и перед турбиной.

Колебания давления воздуха и газов

Колебания давления в выходном канале очистки определяются:

  • Периодическое открытие органов газообмена (переменный поток);
  • Выбрасывать газы из баллона в продувочный ресивер;
  • Переменное давление газа, выходящего из баллона;
  • Неравномерная подача полостей под поршень (продувочные насосы);
  • Неравномерная нагрузка на цилиндры или остановка одного из них.

Во всех случаях колебания давления воздуха и газа приводят к изменчивому расходу воздуха через компрессор, что влияет на скорость поступления воздуха на рабочее колесо и лопатки и на угол входа потока на лопатки. Компрессор работает в установившемся режиме работы двигателя не в точке А (рис. 10), а в заштрихованной области между точками А1 и А2. При этом в точке А1 имеется минимальный запас по перенапряжению, что может привести к останову. Однако это характерно для двигателей с уменьшенным числом цилиндров (i = 5 и менее), где толчки наблюдаются достаточно часто как при выводе дизеля на режим полного оборота, так и на режиме полного оборота при отсутствии видимых отклонений в Условия загрузки цилиндра.

Характеристики систем газообмена и наддува в СНФ

Рис. 10 Изменение режима компрессора из-за колебаний давления воздуха

Наиболее серьезные состояния возникают при отключении одного из цилиндров. При импульсном наддуве ГТУ колебания давления воздуха и газа настолько значительны, что добиться устойчивой работы турбокомпрессора обычно не удается. Стук турбокомпрессора — один из симптомов самопроизвольного отключения цилиндров из-за прекращения подачи топлива. При необходимости длительной работы с выключенным цилиндром помпаж ослабляют, открывая люк ресивера продувки и выпуская воздух в атмосферу, переводя двигатель на пониженную нагрузку. К таким мерам необходимо прибегать и в других случаях перенапряжения, приводящего к снижению параметров наддува, увеличению термических напряжений, повышению температуры дымовых газов, неполному сгоранию и дымному выхлопу.

Dream-yachts
Добавить комментарий