СЭУ-последний Кирис Учебное пособие. Н. А. Козьминых Судовые энергетические установки и электрооборудование судов учебник

• Название: Н. А. Козьминых Судовые энергетические установки и электрооборудование судов учебник
• Анкор: СЭУ-последний Кирис Учебное пособие.doc
• Дата: 08.05.2017
• Размер: 11.94 Mb.
• Имя файла: СЭУ-последний Кирис Учебное пособие.doc
• Тип: Учебник; #7258
• страница: 17 из 35

3.8. Сравнение двух– и четырехтактных дизелей

Главное различие между двух– и четырехтактными ДВС заключается в количестве произведенной работы за один оборот двигателя – двухтактном дизеле рабочий ход совершается на каждом обороте, а в четырехтактном – на двух оборотах. Т.е. при всех равных условиях мощность двухтактного двигателя теоретически вдвое больше по сравнению с четырехтактным. Однако, если на продувку двухтактных дизелей отводится по углу поворота коленвала менее 180°, у четырехтактных на выхлоп и продувку приходится 400–450°. Поэтому, из-за несовершенства продувки цилиндров и других недостатков выигрыш в мощности двухтактных дизелей уменьшается на 20–30% и в действительности оказывается в 1,7–1,8 раз больше.

Большое значение для судовых условий имеют массогабаритные характеристики. У двухтактных дизелей масса на единицу мощности существенно меньше по сравнению с четырехтактными, но высота существенно больше. Двухтактные дизеля не имеют клапанов (за исключением двигателей с прямоточно-клапанной продувкой, об этом ниже) и соответственно нет сложного механизма привода клапанов. Однако последние эффективно работают на более высоких частотах вращения, что в ряде случаев компенсирует их недостатки по сравнению с двухтактными двигателями.

Анализ опыта эксплуатации дизелей показывает, что каждый тип дизеля имеет свое применение на судне. В качестве главных двигателей с прямой передачей на винт, как правило, применяются двухтактные малооборотные дизели с частотой вращения 90–120 об/мин, т.к. частота вращения гребного винта обеспечивает максимальное значение пропульсивного КПД (этот КПД характеризует работу всего пропульсивного комплекса: корпус судна – гребной винт – главный двигатель) именно при этих значениях.

Четырехтактные дизели имеют n = 250–750 об/мин и используются главным образом в качестве вспомогательных двигателей (дизельгенераторов), а в случае их применения в качестве главных устанавливаются редукторы, понижающие частоту вращения до значений, показанных выше.

3.9. Пути повышения мощности ДВС

Анализ формулы для определения мощности показывает, что последняя зависит от тактности, количества цилиндров, частоты вращения, хода поршня, диаметра и среднего давления в цилиндре.

Тактность разобрана в предыдущем параграфе достаточно подробно. Количество цилиндров судовых малооборотных двигателей достигает 12, больше цилиндров в одном двигателе не делают.

Диаметр цилиндров превышает 1 м, а ход поршня длинноходовых двигателей превышает 2,5 м. Иными словами, увеличение мощности дизелей увеличением их геометрических характеристик достигло своего предела. Поэтому единственным способом повышения мощности является увеличение среднего давления в цилиндре.

Конечно увеличение частоты вращения повышает мощность двигателя, но обязательно пропорционально уменьшает его моторесурс. Так двигатели гоночных автомобилей, имеющие частоту вращения до 20 тыс. об/мин, обычно выдерживают до капитального ремонта одну-две гонки. Поэтому, а также по причинам, изложенным в предыдущем параграфе, главные двигатели морских судов делают малооборотными.

Очевидно, что давление в цилиндре определяется количеством сжигаемого топлива, т.е. чем больше сжечь топлива, тем выше будет давление. Но для сжигания большего количества топлива необходимо больше кислорода, который в цилиндр двигателя можно подавать либо в чистом виде (что очень дорого), либо дополнительным количеством воздуха. Для этого применяют наддув двигателей – принудительную подачу воздуха в цилиндр под избыточным давлением. Подобный результат достигается также при охлаждении воздуха перед его поступлением в цилиндр – при этом его плотность еще больше увеличивается, а следовательно увеличивается содержание кислорода.

3.10. Наддув дизелей

Наддувом называется способ повышения мощности двигателя при помощи подачи в рабочий цилиндр воздуха под давлением выше атмосферного для увеличения цикловой подачи топлива (цикловая подача топлива – это подача топлива за один цикл). Добавочная подача топлива является источником дополнительного подвода теплоты к рабочему телу в цилиндре, обеспечивающим повышение удельной эффективной работы цикла.

По сравнению со средним эффективным давлением р_е у дизелей без наддува, его значения при наддуве повышаются у четырехтактных двигателей в 2–4 раза, у двухтактных – в 1,5–2,7 раза. Так как р_е входит в формулу мощности, увеличение мощности при использовании наддува составит эти значения.

Наддув в зависимости от типа двигателя может осуществляться по разному – в зависимости от привода компрессора различают механический, газотурбинный и комбинированный наддув.

При механическом наддуве поршневой, ротативный или центробежный нагнетатель приводится в действие непосредственно от вала двигателя. Этот вид наддува в судовых ДВС в чистом виде не применяют, однако используют в комбинированном наддуве, когда для повышения давления воздуха используют энергию отработавших газов (газотурбинный наддув) и работу самого двигателя.

При газотурбинном наддуве сжатый воздух подается к цилиндрам двигателя специальным дополнительным механизмом – турбокомпрессором.

Турбокомпрессор представляет собой соединенные в одном корпусе центробежный компрессор и газовую турбину. Компрессор связан с двигателем только трубопроводом подачи воздуха к ресиверу, а турбина – трубопроводом подачи выхлопных газов от двигателя к сопловому аппарату (см. главу 4).

На рис. 29 приведена схема газотурбинного наддува четырехтакт-ного двигателя.

Воздух из окружающей среды всасывается компрессором 4 через приемный патрубок 3, сжимается и подается через охладитель наддуво-чного воздуха 5 в ресивер 6, откуда поступает в цилиндр через впускной клапан 7 (как было отмечено ранее, охлаждение воздуха применяют с целью снижения теплонапряженности и дополнительного повышения мощности дизеля).

Рабочее колесо компрессора, насаженное на общий вал с ротором газовой турбины, приводится в движение газовой турбиной 1. Газовая турбина приводится во вращение отработавшими в цилиндрах газами, которые поступают к ней от выпускных клапанов двигателя 8 через выпускные патрубки и трубопровод 9 и отводятся через патрубок 2.

Мощность, развиваемая газовыми турбинами турбокомпрессоров судо-вых дизелей, составляет до 20% мощ-ности двигателя, поэтому дизеля с газотурбинным наддувом называют комбинированными турбопоршневыми двигателями. В газовой турбине утилизируется значительная часть остаточной энергии отработавших в ци-линдре газов, которая у двигателей без наддува уносится с газами в атмосферу.

При наддуве двухтактных дизелей, как правило, применяется комбинированный наддув с двухступенчатым сжатием воздуха. Обычно в качестве первой ступени сжатия используют турбокомпрессор, а в качестве второй ступени – подпоршневые полости цилиндров или приводной поршневой компрессор. Пример вариантов комбинированного наддува показан на рис. 30.


Из рисунка видно, что продукты сгорания через выхлопной клапан поступают в газовую турбину турбокомпрессора ТК. Газовая турбина имеет общий вал с компрессором, рабочее колесо которого всасывает воздух из машинно-котельного отделения. Далее лопатки компрессора разгоняют воздух, поступающий далее в расширяющийся канал улиткообразной формы, где за счет уменьшения скорости возрастает давление воздуха (на рисунке а видна именно компрессорная часть турбокомпрессора). Так как после сжатия температура воздуха повысилась, для увеличения плотности воздуха его охлаждают в холодильнике ОНВ.

Далее охлажденный воздух попадает в воздушный ресивер ВР, который через продувочные окна сообщается с цилиндром двигателя. При ходе поршня к НМТ его донышко выполняет роль поршневого насоса, сжимая воздух, находящийся в подпоршневой полости и воздушном ресивере. Наддув и продувка цилиндра начинается после того, как верхняя кромка поршня откроет продувочные окна.

Следует подчеркнуть, что необходимость в применении комбинированного наддува в двухтактных дизелях возникает по двум причинам. Во-первых, так как отработавшие продукты сгорания из цилиндра выталкивает не поршень (как в четырехтактных двигателях), а воздух, его расход по сравнению с четырехтактным двигателем будет повышенным. Во-вторых, так как отходящие продукты сгорания разбавлены воздухом, мощность газовой турбины оказывается недостаточной для подачи в цилиндры необходимой массы воздуха при необходимом давлении.

В заключение следует отметить, что в зависимости от способа подвода газов к турбине и принципа использования энергии газов системы наддува судовых дизелей делятся на изобарные и импульсные.

Первые применяют преимущественно в двухтактных и среднеоборотных четырехтактных дизелях. В этом случае газы подводятся к газовой турбине из выхлопного коллектора большого объема, где давление незначительно меняется относительно среднего давления.

В импульсных системах наддува подвод газов к турбине осуществляется через короткие выпускные патрубки небольшого сечения, что позволяет дополнительно использовать энергию импульса давления выхлопных газов. Эти системы наддува применяют преимущественно в четырехтактных и некоторых двухтактных дизелях.