Способы повышения мощности судовых двс

Способы повышения мощности судовых двс

Главное меню

Судовые двигатели

Из формулы (152а) следует, что увеличение каждой из вели­чин в правой части равенства приводит к повышению мощности. Возможности увеличения D и S ограничены, так как возрастают вес и габарит двигателя, увеличиваются нагрузки на детали и при­ходится применять для их изготовления материалы с лучшими ме­ханическими свойствами. При этом усложняется технология из­готовления ДВС и его первоначальная стоимость. В настоящее время величина D достигает 930 мм, а S — 1800 мм.

Увеличение числа цилиндров z вызывает увеличение числа под­вижных деталей, а следовательно, снижение надежности; в то же время увеличивается количество мелких аварий, усложняется уход за двигателем и возрастают габарит и вес. В современных одно­рядных ДВС количество цилиндров z доведено до 12, а двух­рядных и V-образных ДВС — до 24. В высокооборотных звездо­образных дизелях число цилиндров достигает 56.

Частоту вращения дизеля выбирают исходя из его назначе­ния, условий работы, а также срока службы. С увеличением п износ двигателя становится более интенсивным, срок службы со­кращается, инерционные нагрузки на подвижные детали увеличи­ваются. При прямой передаче мощности на винт частота враще­ния дизеля должна быть 1,7—6,7 об/сек. Применение редукторной передачи позволяет повысить частоту вращения, но понижается к. п. д. установки и увеличивается ее вес и габарит.

Наиболее выгодным способом повышения мощности считается увеличение среднего эффективного давления р _э путем повышения давления в цилиндре в начале сжатия р _а . Это достигается установ­кой особых воздушных насосов (нагнетателей), подающих воздух в цилиндры под давлением выше атмосферного. С увеличением давления в начале сжатия увеличивается масса воздуха при тех же размерах цилиндра. Это дает возможность сжечь больше топ­лива за цикл и получить большую мощность. Форсировку двига­теля за счет наддува оценивают по степени наддува ? _н , которая представляет отношение среднего эффективного давления при над­дуве р _эн к среднему эффективному давлению без наддува (для номинального режима):

При увеличении давления наддува р _н возрастает температура воздуха, поступающего в цилиндр. Это ведет к снижению удель­ного веса воздуха в цилиндре. Положительное влияние повышения р _н на N _е ослабляется. Чтобы избежать этого, предусматривается охлаждение воздуха после нагнетателя в холодильнике. Можно ориентировочно считать, что охлаждение наддувочного воздуха на каждые 10° вызывает повышение N _е на 2—3%. Экономически оправдано применение охлаждения воздуха при его температуре после нагнетателя, более 310—320° К.

Увеличение массы заряда цилиндра может быть достигнуто и без предварительного сжатия воздуха в нагнетателе. В четырех­тактных двигателях можно увеличить угол перекрытия впускных и выпускных клапанов. При этом за счет всасывающего действия инерции отработавших газов осуществляется продувка камеры сгорания и в результате более совершенной ее очистки достигается повышение массы свежего заряда. В двухтактных ДВС этого же результата добиваются путем закрытия продувочных органов позднее выпускных. Описанный способ повышения массы свежего заряда цилиндра называется дозарядкой. Ее применение позволяет получить ? _н = 1,05 ? 1,1.

Используя колебания давления во впускном трубопроводе и силы инерции массы движущегося по нему воздуха, можно добиться повышения массы заряда в начале сжатия до p _а = 0,115?0,12 Мн/м 2 . Этот способ называется инерционным наддувом. В ДВС с таким наддувом имеется всасывающая труба длиной 5—8 м.

В начале всасывающего хода поршня вследствие незначитель­ного открытия впускного клапана в цилиндре создается разреже­ние, равное 0,03—0,04 Мн/м 2 . Примерно у середины хода поршня клапан быстро открывается и воздух со скоростью до 200 м/сек устремляется в цилиндр. В результате удлиненного всасывающего трубопровода и значительной кинематической энергии движуще­гося по нему воздуха давление к концу наполнения при инерци­онном наддуве повышается, тогда ? _н = 1,51 ? 1,25. Можно исполь­зовать частичный наддув, когда, помимо воздуха, засасываемого из окружающей среды, на части хода поршня от нагнетателя по­дается порция добавочного воздуха под давлением 0,12— 0,16 Мн/м 2 . При этом ? _н = 1,2 ? 1,4.

Необходимо отметить, что для современных судовых двигате­лей под термином наддув понимают повышение давления в конце наполнения при помощи специального нагнетателя. Способы осу­ществления наддува дизелей рассмотрены в § 98 .

Механический наддув применяется для двигателей сравни­тельно небольшой мощности и позволяет получить р _н не более 0,16—0,17 Мн/м 2 , так как при больших значениях давления зна­чительно возрастает затрата мощности на сжатие (до 10—12% от N _i ), что приводит к повышенным расходам топлива и падению механического к. п. д. С помощью механического наддува мощность N _е можно увеличить до 60%. Основной недостаток механи­ческого наддува — потребление мощности на привод нагнетателя, а следовательно, понижение экономичности ДВС.

При газотурбинном наддуве для привода нагнетателя исполь­зуется энергия выпускных газов. Нагнетатель кинематически не связан с двигателем и для его работы не требуются затраты мощ­ности двигателя и существенные изменения его конструкции. По сравнению с двигателями, имеющими наддув от нагнетателя с механическим приводом, механический к. п. д. двигателей с газо­турбинным наддувом на 4—8% больше. Это обстоятельство, а так­же использование тепла уходящих газов позволяет повысить эф­фективный к. п. д. двигателя с газотурбинным наддувом на 10% и более.

Газотурбинный наддув достаточно эффективен только на рас­четном режиме, а па малых нагрузках количество и параметры выпускных газов недостаточны для нормальной работы турбины.

В первую очередь это относится к двухтактным дизелям. Для их продувки и наддува требуется относительно большое количество воздуха, вследствие чего температура газов перед турбиной сни­жается. Это отрицательно сказывается на работе нагнетателя. По­этому для ряда дизелей с учетом условий их эксплуатации целесо­образно применение комбинированного наддува.

Источник

Способы повышения мощности судовых двс

Область применения дизелей в судовых установках непрерывно расши­ряется, а потому повышение мощности их является одним из важнейших вопросов современного судового дизелестроения. Для выявления возмож­ных путей повышения агрегатной мощности судовых дизелей рассмотрим выражение эффективной мощности

Как показывает эта формула, эффективная мощность двигателя зависит от диаметра цилиндра, средней скорости поршня, числа рабочих ходов поршней всех цилиндров двигателя за один оборот вала (i = kz), среднего индикатор­ного давления и механического к. п. д. Увеличение каждого из указанных параметров повышает агрегатную мощность двигателя.

Увеличение диаметра цилиндра, как это мы отмечали и ранее, повышает тепловую нагрузку стенок цилиндра, повышает нагрузку на поршень и на подшипники шатунно-мотылевого механизма, увеличивает массы дви­жущихся деталей, а следовательно, силы инерции их; увеличивает габарит­ные размеры и вес двигателя, а значит и стоимость. Кроме этого, изготов­ление цилиндров с большими диаметрами связано с технологическими трудностями. Вот почему увеличение максимального диаметра цилиндра в судовом дизелестроении происходило медленно. Значительный период времени наибольший диаметр, равный 900 мм, имел двухтактный дизель фирмы «Зульцер» с ходом поршня 1550 мм и с цилиндровой мощностью 2000 э. л. с.

Несмотря на это, последнее время некоторые дизелестроительные заводы приступили к выпуску судовых дизелей с увеличенными диаметрами ци­линдра.

Фирма «Бурмейстер и Вайн» с 1967 г. строит судовые двухтактные дизели с диаметром цилиндра 980 мм и ходом поршня 2000 мм. Цилиндровая мощ­ность этого дизеля составляет 3570 л. с. при п = 100 об/мин и р _е = 10,8 кГ 1см 2 . Агрегатная мощность указанного дизеля в двенадцатици­линдровом исполнении равна 42 800 л. с. и является наибольшей мощностью в данное время.

Фирма «Зульцер» также приступила к выпуску двухтактных судовых дизелей с диаметром цилиндра 1050 мм и ходом поршня 1800 мм. Цилиндро­вая мощность дизеля 3200 л. с. (п = 103 об/мин, р _е = 9,84 кГ/см).

Фирмы МАН и «Фиат» в 1967 г. начали испытания судовых двухтакт­ных дизелей с диаметрами цилиндра 1050 и 1060 мм; их цилиндровая мощ­ность 3500—4000 л. с.

Увеличение средней скорости поршня повышает тепловую и динамиче­скую напряженность двигателя и износ трущихся деталей его. По мере по­вышения средней скорости поршня срок службы двигателя сокращается, что вызывает увеличение стоимости его эксплуатации. Наибольшее число выпускаемых в данное время судовых дизелей имеет среднюю скорость поршня 6—6,5 м/сек. Более высокую скорость имеют двигатели многооборотные с небольшими размерами цилиндров. Дальнейшее повышение средней скорости поршня связано с успехами в области повышения износостойкости трущихся поверхностей деталей двигателя. Следует заметить, что в послед­ние годы наблюдается тенденция к расширению области применения средне­оборотных судовых дизелей. Так, фирмы «Пилстик», «Зульцер», МАН, «Фер­бенкс-Морзе» стали выпускать дизели с агрегатной мощностью до 12 000 л. с. при 400—475 об/мин.

Увеличение числа рабочих ходов поршня за один оборот вала опреде­ляется увеличением числа цилиндров и тактностью двигателя. Применение двухтактных двигателей позволяет значительно повысить агрегатную мощ­ность. Современные мощные судовые дизели строятся только двухтактными. Число цилиндров при однорядном расположении достигает 12. В быстро­ходных двигателях (с малыми размерами цилиндра) при неоднорядном рас­положении цилиндров число их доходит до 18; 24; 30 и больше.

Дальнейшее увеличение механического к. п. д. судовых двигателей возможно как за счет повышения качества изготовления и сборки деталей двигателя, улучшения смазки трущихся деталей, так и за счет уменьшения мощности механических потерь двигателя в целом.

Наиболее эффективным средством увеличения мощности двигателя яв­ляется повышение среднего индикаторного давления его. Среднее индика­торное давление может быть повышено за счет улучшения протекания ра­бочего цикла двигателя и за счет повышения весового заряда воздуха, по­ступающего в цилиндр, или, как последнее называют, за счет наддува двига­теля.

Совершенствование рабочего цикла двигателя может быть осуществлено различными путями, к числу которых относятся: повышение степени сжатия у двигателя, улучшение качества смесеобразования и повышение интенси­фикации процесса сгорания топлива. Выполненные исследования показы­вают, что повышение степени сжатия примерно до 12 значительно увеличи­вает среднее индикаторное давление. При дальнейшем повышении степени сжатия рост среднего индикаторного давления происходит медленно, а мак­симальное давление цикла возрастает быстро.

Наряду с глубокими исследованиями в области общей теории процессов сгорания у нас в Советском Союзе выполнено большое количество работ по интенсификации процесса сгорания топлива, протекающего в цилиндре дизеля. В результате этих исследований установлено влияние испаряемости топлива, физико-химических свойств топлива, интенсифицирующих приса­док к топливу, газовых присадок к воздуху на процесс сгорания топлива в цилиндре дизеля. Меньше была исследована возможность повышения мощ­ности дизеля и его экономичности путем присадок к воздуху горючих при­родных газов или различных фракций жидкого топлива.

Особенность цикла с присадкой топлива к сжимаемому заряду воздуха заключается в том, что в период процесса сжатия имеет место подготовка к низкотемпературному многостадийному процессу самовоспламенения. Характер, или, вернее, интенсивность этой подготовки в цилиндре дизеля зависит от концентрации и природы добавочного топлива (присадки).

Момент самовоспламенения (образование «горячего» взрыва) при этом будет определяться накоплением необходимой концентрации активных про­дуктов окисления. Топливо, вводимое в цилиндр через форсунку (основное топливо) в конце процесса сжатия, увеличивает необходимую концентрацию активных продуктов и тем самым определяет момент самовоспламенения смеси. Протекание процесса сгорания происходит с лучшим использованием воздуха, т. е. с меньшим коэффициентом избытка воздуха. Нами выполнено исследование работы судового дизеля с присадкой к воздуху горючего газа (пропан-бутановая смесь) и жидкого дизельного топлива [24]. Исследования проводились с судовым дизелем марки ЗД6. Добавочное топливо (присадка) вводилось во всасывающий коллектор двигателя. Горючий газ (пропан-бутановая смесь) вводился во всасывающий коллектор непосредственно из бал­лона, где он находился под давлением в жидком виде. Дизельное добавочное топливо специальным насосом вначале впрыскивалось в камеру (трубу), расположенную в выпускном коллекторе, где оно испарялось, и потом пары его оттуда поступали (засасывались) во всасывающий коллектор двигателя. Результаты выполненных нами исследований позволили сделать следующие заключения.

Впрыскивание жидкого добавочного дизельного топлива в камеру (трубу), расположенную в выхлопном коллекторе, вполне обеспечивает образование однородной смеси паров топлива с воздухом во впускном тракте двигателя.

Присадка как газообразного топлива, так и паров жидкого топлива к воздушному заряду цилиндра интенсифицирует процесс сгорания топ­лива, сокращая его продолжительность. При этом степень сокращения про­должительности процесса сгорания в основном зависит от количества и свойств добавочного топлива. Чем больше цетановое число дизельного топлива, тем значительнее степень сокращения продолжительности про­цесса сгорания при одинаковом коли­честве добавочного топлива. Для ди­зельного топлива наивыгоднейшее ко­личество добавочного топлива (при­садки к воздуху) составляет примерно 50% от суммарного расхода топлива.

При наивыгоднейшем количестве добавочного топлива и неизменной мощности двигателя температура отработавших газов уменьшается, окраска их почти полностью исчезает и отсутствуют отложения нагара на стенках камеры сгорания цилиндра. У исследуемого двигателя ЗД6 удельный эф­фективный расход дизельного топлива при этом снизился с 0,163 до 0,159 кг/э. л. с·ч.

Степень форсирования мощности двигателя данным методом зависит от значения допустимого максимального давления цикла и скорости нараста­ния давления при сгорании. При умеренных значениях максимального дав­ления цикла (р _z ? 70 кГ/см 2 ) и скорости нарастания давления (?p / ?? = 4,0 ? 4,5 кГ/см 2 /°п. к. в.) мощность двигателя 3Д6 путем присадки дизельного топлива к воздушному заряду может быть повышена па 25—30% за счет уменьшения коэффициента избытка воздуха при горении до 1,65; удельный эффективный расход топлива при этом остается примерно без изменения.

Если добавить к воздушному заряду пропан-бутановую газовую смесь, мощность двигателя повышается до 35%; при этом эффективный к. п. д. повышается.

Для осуществления данного метода не нужны сложные специальные агрегаты, как, например, наддувочные агрегаты, и не требуется конструк­тивных изменений самого двигателя.

Применение присадки топлива к воздушному заряду особенно может повысить эффективность работы судовых дизелей на вязких сортах жидкого топлива.

На рис. 115 приведена осциллограмма рабочего процесса дизеля ЗД6 с присадкой оптимального количества дизельного топлива к воздушному заряду (50% от всего расхода топлива). Наличие окисления топлива в пе­риод сжатия определяет плавный переход от линии сжатия к процессу сго­рания на приведенной осциллограмме. Максимальное давление у рассма­триваемой осциллограммы равно р _z = 73 кГ/см 2 , и скорость нарастания давления (?p / ??) _ср = 3,6 кГ/см 2 /°п. к. в.

Наиболее распространенным и эффективным способом повышения мощ­ности двигателя в настоящее время является увеличение весового заряда воздуха, т. е. наддув двигателя.

Количественную оценку наддува определяют степенью наддува, пред­ставляющую собой отношение давления в начале сжатия при работе двига­теля с наддувом p _ан к давлению в начале сжатия без наддува р _а .

Величина форсировки мощности двигателя при наддуве и неизменном числе оборотов вала определяется отношением среднего эффективного дав­ления при наддуве р _ен к среднему эффективному давлению двигателя без наддува р _е .

Наддув называют умеренным, когда давление наддувочного воздуха не больше р _к ? 1,8—2,0 кГ/см 2 и р _е = 10—12 кГ/см 2 , и высоким, когда р _к ? 2 кГ/см 2 и р _е ? 12 кГ/см 2 .

Значение параметров рабочего цикла дизеля с наддувом в основном определяется величиной давления наддувочного воздуха и степенью сжа­тия у двигателя.

Температура воздуха в начале сжатия при работе двигателя с наддувом Т _ан , при охлаждении его после нагнетателя примерно равняется температуре воздуха в начале сжатия Т _а при работе без наддува.

При равных степенях сжатия и при работе с наддувом и без наддува ? _н = ?, температура в конце сжатия при наддуве будет равна

где среднее значение показателя политропы сжатия п ₁ принято в том и дру­гом случае одинаковым.

Давление в конце сжатия при наддуве р _с.н будет равно

т. е. возрастает пропорционально степени наддува.

Максимальное давление цикла при наддуве р _{z н} при условии ? _н = ? и ? _н = ?, возрастет также пропорционально степени наддува:

Таким образом, при рассматриваемых условиях ? _н = ?; ? _н = ?; ? _и = ? среднее индикаторное давление четырехтактного дизеля с наддувом возраста­ет пропорционально степени наддува.

При этом увеличение р _i происходит за счет увеличения р _z (площадь индикаторной диаграммы возрастает за счет увеличения высоты ее). Удель­ный индикаторный расход топлива примерно остается без изменения, а удельный эффективный расход зависит от способа привода в действие над­дувочного агрегата, т. е. от системы наддува и от степени повышения мощ­ности при наддуве. При газотурбинном наддуве удельный эффективный расход топлива уменьшается за счет увеличения механического к. п. д., как это было показано ранее в формуле (140). Тепловая нагрузка стенок цилиндра при наддуве возрастает вследствие увеличения коэффициента теплоотдачи от газов к стенке цилиндра.

Степень наддува, а следовательно, и степень повышения мощности ограничивается максимально допустимым значением давления р _{z н} , а особенно при условиях ? _н = ?; ? _н = ?.

В целях возможного повышения степени наддува и снижения роста давления р _zn при этом в практике осуществления наддува дизелей степень сжатия ? _н и степень повышения давления при сгорании несколько уменьшают. Величина степени повышения давления ? _н снижается путем уменьшения угла опережения подачи топлива. При указанных условиях ? _{н н}

Приведем пример, из которого будет видно, насколько можно повысить сте­пень наддува ? _н при уменьшении степени сжатия и степени повышения дав­ления.

Имеем: ? = 1,5; ? = 15; р _z = 55 кГ/см 2 ; п ₁ = 1,37 и по условиям проч­ности и удельных давлений допустимо р _{z н} = 65 кГ/см 2 и, соответственно, ? _н = 1,25. Примем ? _н = 12,8, находим

Значение ? _н равно принятому ранее.

Таким образом, путем снижения степени сжатия и степени повышения давления при сгорании можно значительно повысить степень наддува. Однако работа двигателя при этом будет происходить при более высоком значении температуры выпускных газов и средней температуры цикла, т. е. с худшим теплоиспользованием в цилиндре. По этой причине в дизелях с наддувом с однокамерным смесеобразованием степень сжатия применяют равной 13—15.

На рис. 116 приведены результаты испытаний быстроходного четырех­тактного дизеля с наддувом (D = 127 мм, S =127 мм и п = 1 250 об/мин), с вихрекамерным смесеобразованием (р _к = 1,69 кГ/см 2 и t _к = 60° С) при различных углах опережения подачи топлива 0 по насосу [18]. Приведен­ные результаты испытаний показывают, что с увеличением угла опережения подачи топлива выше оптимального (9° до ВМТ) удельный эффективный расход топлива g _e снижается незначительно, тогда как максимальное дав­ление цикла повышается довольно значительно. Данные испытания подтверждают целесообразность применения малых углов опережения подачи топлива при работе двигателя с наддувом, и во всяком случае меньших, чем при работе двигателя без наддува.

На рис. 117 показаны сравнительные результаты испытаний однотип­ного двигателя с предыдущим (D = 120, 5 мм, S = 139,7 мм и п = 1 250 об/мин), но только с неразделенной камерой сгорания [ 18]. Давление и температура наддувочного воздуха, как и в предыдущем случае, равны р _к = 1,69 кГ/см 2 и t _к = 60° С, Наименьший удельный эффективный расход топлива двигатель имеет при угле опережения подачи топлива около 13° и максимальном давлении цикла около 85,5 кГ/см 2 .

Источник