Газовая динамика и агрегаты наддува

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Национальный университет кораблестроения

имени адмирала Макарова

Херсонский филиал

Кафедра судового

машиностроения

и энергетики

Реферат

по дисциплине: "Газовая динамика и агрегаты наддува"

Выполнил: ст. группы 3227 Хворостина С.

Проверил: преподаватель Калиниченко И.В.

Херсон 2012

Содержание

Введение........................................................................
..................................3

1.     Выбор главного двигателя.................................................................12

2.     Подбор турбокомпрессора............................................................18

3.     Системы охлаждения......................................................................
24

Список литературы……………………………................................................32

Введение

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — это тепловая машина, внутри цилиндра, которой происходит сгорание топлива. При сгорании выделяется теплота, идущая на расширение, газов. Под давлением расширяющихся газов движется поршень. Таким образом в ДВС тепловая энергия превращается в механическую.

Судовые ДВС классифицируются по ряду признаков. Для работы двигателя необходимо обеспечить определенную последовательность процессов: наполнение цилиндра воздухом, сжатие его, подачу топлива и горение, расширение продуктов сгорания и удаление отработавших газов. Этот ряд последовательно протекающих в цилиндре процессов, обеспечивающих непрерывную работу двигателя, называется рабочим циклом. Часть рабочего цикла, протекающая за один ход поршня, называется тактом.

Таким образом, по осуществлению рабочего цикла двигатели подразделяются на четырехтактные, у которых рабочий цикл совершается за четыре хода поршня или за два оборота коленчатого вала, и двухтактные, у которых рабочий цикл осуществляется за два хода поршня или один оборот коленчатого вала. По конструктивному выполнению двигатели подразделяются на тронковые, крейцкопфные и с противоположно движущимися поршнями (ПДП) в одном цилиндре.

Во время работы двигателя при сгорании топлива в цилиндре на поршень действует давление газов. Его можно представить в виде сосредоточенной силы Р (рис. 1.1., а), приложенной к оси поршневого пальца и направленной вниз. При повороте коленчатого вала на некоторый угол сила Р раскладывается по правилу параллелограмма на две силы: Р_Ш, действующую вдоль оси шатуна и приводящую в движение коленчатый вал, и Р_Н, действующую перпендикулярно направлению движения поршня. Сила Р_Н прижимает поршень к стенке цилиндра и вызывает усиленный износ поршней и стенок цилиндров.

Рисунок 1.1. Схема конструктивного выполнения двигателей: а - тронковый; б - крейцкопфный; в - с противоположно движущимися поршнями в одном цилиндре.

По такой схеме выполняются высокооборотные и среднеоборотные двигатели, называемые тронковыми (поршень у них имеет развитую нижнюю цилиндрическую часть — тронк).

У двигателей больших мощностей сила Р_Н велика, поэтому их делают крейцкопфными (рис. 1.1., б). Поршень 2 такого двигателя жестко через шток 3 соединен с крейцкопфом 1, ползун 4 которого движется в направляющих параллелях 5. Боковое усилие P_Н в этом случае воспринимается не стенкой цилиндра, а через крейцкопф параллелями, которые жестко связаны со станиной двигателя. Крейцкопфы делают односторонними или двусторонними.

У двигателей с ПДП (рис. 1.1., в) топливо сгорает в камере, расположенной между двумя поршнями 1, которые работают в одном цилиндре и движутся в противоположные стороны. Такой двигатель имеет два коленчатых вала.

В зависимости от расположения цилиндров двигатели бывают однорядные с вертикальным расположением цилиндров (рис. 1.2., а) и V-образные (рис. 1.2., б).

Рис. 1.2. Схема двигателей: а - рядный; б - V-образный; в - без наддува; г - с наддувом.

По способу наполнения цилиндра свежим зарядом различают:

• двигатели без наддува (рис. 1.2., в), у которых всасывание воздуха через клапан осуществляется поршнем (четырехтактные) или заполнение цилиндра воздухом производится продувочным насосом при невысоком давлении, незначительно превышающем атмосферное (двухтактные);
• ДВС с наддувом, двигатели, у которых топливо впрыскивается в рабочий цилиндр под давлением, создаваемым специальным компрессором (воздуходувкой).

По способу воспламенения горючей смеси в цилиндре различают:

• двигатели, у которых топливо впрыскивается в рабочий цилиндр через специальное устройство (форсунку) под действием давления, создаваемого топливным насосом; оно мелко распыляется, смешивается в цилиндре с воздухом, сильно разогретым в результате сжатия, и самовоспламеняется (это дизели);
• карбюраторные двигатели, т. е. такие двигатели, у которых топливо перемешивается с воздухом не в цилиндре, а в особом приборе—карбюраторе, из которого горючая смесь подается в цилиндр двигателя и воспламеняется там от электрической искры, получаемой от специальной системы.

По быстроходности двигатели условно подразделяют на тихоходные со средней скоростью поршня менее 6,5 м/с и быстроходные со средней скоростью поршня более 6,5 м/с.

По частоте вращения двигатели подразделяют на:

• малооборотные (МОД) — 10...25 с^-1 (100...250 об/мин),
• среднеоборотные (СОД) —25...60 с^-1 (250...600 об/мин),
• повышенной оборотности— 60...100 с^-1 (600...1000 об/мин)
• высокооборотные — свыше 1000 с^-1 (10 000 об/мин).

По мощности двигатели подразделяются на:

• маломощные — до 73,5 кВт (100 л. с),
• средней мощности — 73,5...735 кВт (100...1000 л. с.) и
• сверхмощные —свыше 7350 кВт (10000л.с).

По назначению двигатели бывают главными, которые обеспечивают ход судна, приводят в движение гребные винты, и вспомогательными, служащими для привода электрогенераторов, компрессоров и других вспомогательных механизмов.

По способу изменения направления вращения вала двигатели подразделяют на реверсивные и нереверсивные. Передний и задний ход при гребном винте фиксированного шага может быть достигнут изменением направления вращения гребного винта. Для обеспечения заднего хода гребному винту можно придать вращение в обратную сторону двумя способами: либо изменить направление вращения коленчатого вала двигателя, либо только гребного.

В реверсивных двигателях можно изменить направление вращения коленчатого вала. Мощность этих двигателей, как правило, большая. Коленчатые валы нереверсивных двигателей вращаются только в одном направлении. У быстроходных и маломощных нереверсивных двигателей направление вращения гребного винта изменяют с помощью реверсивной передачи, устанавливаемой между двигателем и валопроводом.

Для краткого обозначения типа двигателя дизелестроительные заводы пользуются условной маркировкой. Единая у отечественных дизелестроительных заводов, индивидуальная у заводов других стран маркировка типа двигателя обычно состоит из записываемых в определенной последовательности буквенных условных обозначений отдельных характеристик двигателя и цифр, обозначающих число цилиндров, диаметр, а также ход поршня (в см).

В соответствии с ГОСТ 4398—78 маркировка двигателей СССР состоит из цифрового обозначения числа цилиндров, условных буквенных обозначений характеристик двигателя, после которых дробью показаны диаметр цилиндра и ход поршня (в см).

В марках буквы дизелей обозначают: Д — двухтактный, Ч — четырехтактный, Р - реверсивный, С — судовой с реверсивной муфтой, П — с редукторной передачей, ДД — двухтактный двойного действия, К — крейцкопфный (при отсутствии буквы К –– тронковый), Н — с наддувом (при отсутствии буквы Н –– без наддува). Цифры обозначают: первая, стоящая перед буквами, — число цилиндров, в числителе — диаметр цилиндра, в знаменателе — ход поршня. Цифра после дроби — номер модификации данного типа (1, 2 и т. д.) двигателя. Например, марка дизеля 5ДКРН50/110 — 2 означает пятицилиндровый, двухтактный, крейцкопфный (если не указана буква К–тронковый), реверсивный, с наддувом, диаметр цилиндра 50 см, ход поршня 110 см, второй модификации. Кроме обозначений по ГОСТу, применяют также заводские марки дизелей.

Ведущими зарубежными фирмами, производящими судовые малооборотные дизели, являются: «Бурмейстер и Вайн» (Дания), «Зульцер» (Швейцария), MAN (ФРГ), «Доксфорд» (Великобритания), «Сторк» (Нидерланды), «Гетаверкен» (Швеция), «Фиат» (Италия), «Пилстик» (Франция) и их лицензиаты.

Мировые производители судовых дизелей:

1)    MAN

2)    WARTSILA

3)    MITSUBISHI

4)    VOLVOPENTA

5)    CATERPILLER

6)    SULZER

7)    АООТ "Первомайскдизельмаш"

Судовые дизельные двигатели, построенные зарубежными фирмами, имеют свои обозначения.

В марках судовых дизелей «Бурмейстер и Вайн» буквы обозначают: М — четырехтактный, V — двухтактный (второе V в конце марки — v-образный), Т— крейцкопфный, F — судовой (реверсивный и главный нереверсивный серии MTBF), В — с газотурбинным наддувом, Н — вспомогательный. Число цилиндров указано перед буквами, диаметр цилиндров — за числом цилиндров, ход поршня — после букв. В крейцкопфных дизелях с наддувом модификация указана в середине буквенного обозначения цифрой 2 или 3.

         С 1 января 1984 г. введён ГОСТ 4393—82. Здесь и далее для диаметра цилиндра и хода поршня принята единица измерения — сантиметр.

В судовых дизелях «Зульцер» буквы обозначают: В–четырехтактный, Z– двухтактный, S — крейцкопфный, Т — тронковый, D–реверсивный, Н — вспомогательный, А — с наддувом, R — с управляемым выпуском, V — V-образный, G — с редукторной передачей,  М — тронковый с коротким ходом поршня. Число цилиндров указано перед буквами, диаметр цилиндра — после букв. Некоторые судовые двигатели внутреннего сгорания  этой фирмы имеют сокращенное буквенное обозначение: у серии Z и ZV не проставляют буквы М, Н, А, а у серии RD — буквы S, и А.

Фирмой «Фиат» приняты обозначения: S и SS — с наддувом первой и второй форсировки по pi , Т — крейцкопфный с диаметром цилиндра до 600 мм (при Z)=600 мм буква Т может отсутствовать), R — четырехтактный реверсивный, С и В — модификации дизеля. Первые цифры означают диаметр цилиндра, последующие — число цилиндров.

Судовые дизели ГДР: D — дизель, V — четырехтактный, Z — двухтактный, К –– c малым ходом поршня (S/D < 1,3); N — со средним ходом поршня (S/D1,3), и — реверсивный; первая цифра означает число цилиндров, вторая— ход поршня (см).

Начиная с 1967 г., фирмой «Бурмейстер и Вайи» введены следующие обозначения: первая цифра — число цилиндров, следующая за ней первая буква — тип двигателя (К — двухтактный крейцкопфный); вторые цифры — диаметр цилиндра; следующая буква — обозначение модели (например, Е или F); последняя буква — назначение дизеля (например, F—судовой реверсивный для прямой передачи).

Обозначения в судовых дизелях MAN: V — четырехтактный (повторное V — V-образный), Z — двухтактный, К — крейцкопфный, G — тронковый, А — двухтактный без наддува или четырехтактный с низкой степенью наддува. С, D и Е — двухтактные с низкой, средней и высокой степенью наддува, L — четырехтактный с охлаждением наддувочного воздуха, Т — с наличием предкамеры, m — четырехтактный с наддувом без воздухоохладителя. Число цилиндров указано между буквами К и Z, числитель дроби — диаметр цилиндра, знаменатель — ход поршня. Заводы-лицензиаты фирмы МАН (в Ростоке и Хальберштадте) наличие наддува обозначают буквой А с цифровыми индексами: А3 и А5—последовательно-параллельная система наддува с газотурбонагнетателями,  работающими на газах соответственно с постоянным и переменным давлением. Рассмотрим пример маркировки нынешних обозначений судового ДВС от фирмы MAN Diesel & Turbo:

6S70ME-B/C7-GI-TII: 6–означает количество цилиндров (здесь их 6); S–тип ДВС в соотношении хода поршня (в зависимости и от этого ставится соответствующие обозначения, где S–супердлиноходный, L–длиноходный, K–с коротким ходом); 70–диаметр поршня (в см); M –модель двигателя, E–концепции двигателя (где E– ДВС с электронной системой подачи топлива и ГРМ, а C–с системой распределительного вала); B/C–конструктивные особенности системы (где B–это система где выпускной клапан управляется распределительным валом, а C–компактная система управления); 7–номер маркировочной версии; GI–концепция топливной системы (если не указан параметр GI, это значит что топливная система ДВС работает только на мазуте или дизельном топливе, а если указан параметр GI–это топливная система ДВС, которая работает на газе); TII–система регулирования отходящих газов (степень ряда IMO).

У фирмы «WARTSILA» принятые обозначения рассмотрим в примере: WÄRTSILÄ 9RTA38, 9–означает количество цилиндров (здесь их 9); RTA– с системой распределительного вала, 38–диаметр поршня (в см). Если указан параметр не RTA, а RT и указана дополнительная маркировка flex, то это значит что ДВС с электронной системой подачи топлива и ГРМ (WÄRTSILÄ 7RT-flex35).

У фирмы «MITSUBISHI» принятые обозначения рассмотрим в примере: MITSUBISHI 7UEC35LSE-B1, 7–означает количество цилиндров (здесь их 7); UEC–модификация, 35–диаметр поршня (в см), LSE–серия, если есть добавление ECO или ECO-E, то это значит что ДВС с электронной системой подачи топлива и ГРМ, если приставки нет–то с системой распределительного вала.

1.  Выбор главного двигателя

Таблица 1.1.  Сравнивание параметров МОД

Марка					L, мм	B, мм	H, мм	G, т	D, мм	S, мм
6ДКРН 76/155	5735	119	-	217	-	-	-	-	760	1550
MAN B&W 7S35ME-B9	6090	167	21	175	5602	2265	7155	99	350	1550
MAN B&W 7S35MC-C9	6090	167	21	178	5602	2265	7155	99	350	1550
MITSUBISHI 7UEC 35LSE-B1	6090	167	21	177	5622	2264	6901,5	90	350	1550
MITSUBISHI 7UEC 35LSE-ECO-B2	6090	167	21	175	5622	2264	6901,5	92	350	1550
WÄRTSILÄ 9RTA38	6120	196	16,7	181	7045	2300	6130	140	380	1100
WÄRTSILÄ 7RT-flex35	6090	167	21	176	5 658	2 264	6882	90	350	1550

Я выбираю МОД фирмы: MAN B&W, а именно MAN B&W 7S35ME–B9,так как в него небольшой расход, небольшие габаритные размеры, и сравнительный вес–в пределах нормы, хотя характеристики почти полностью совпадают с МОД MITSUBISHI 7UEC35LSE-ECO-B2, единственное, чем МОД от MITSUBISHI лучше за MAN B&W, так это – весом, но проигрывает в габаритах Мановскому.

Рисунок 1.3. МОД MAN B&W 7S35ME–B9 в разрезе.

По этой формуле можно посчитать расход МОД за один час (то есть часовой расход ДВС):

Подставляя в формулу значения выбранного МОД с Таблицы 1.1., получим:

Рисунок 1.4. Рабочий диапазон выбранного МОД.

Габарита выбранного МОД MAN B&W 7S35ME-B9:

Рисунок 1.5. Вид спереди выбранного МОД с соответствующими размерами.

Рисунок 1.6. Вид сбоку выбранного МОД с соответствующими размерами.

Компания MAN Diesel & Turbo является мировым лидером в области разработки и производства малооборотных и среднеоборотных поршневых двигателей. Широкий модельный ряд газовых и дизельных двигателей предоставляет широкие возможности для сотрудничества с компанией, независимо от того, производится ли двигатель на бурильную установку или для корабля (суда), ну или для станции. Заказчику предлагаются комплексные энергетические решения – от топливного хранилища до трансформаторной подстанции, или для применения МОД в движения суда (корабля). Деятельность компании MAN по производству и поставке дизелей начинается с 1904 года, когда была изготовлена первая в мире дизельная установка для трамвайного депо г. Киева. И до настоящего времени, спустя более ста лет после первого успешного опыта, MAN Diesel & Turbo сохраняет свое научно техническое превосходство в области разработки мощных двигателей внутреннего сгорания, которые в настоящее время сохраняют статус самых эффективных из производимых ДВС. Зная до тонкостей технологию производства мощных двигателей, специалисты компании стремятся создавать оборудование еще более мощ­ное, более экономичное и экологичное. Первостепенная задача компании это экологичность проектов с одновременным повышением топливной эффек­тивности и удельной мощности агрегатов. Активное сотрудничество в области законодательства по регулированию уровня выбросов загрязняющих веществ – это наш вклад в глобальную программу сокращения выбросов. По мнению основных международных организаций, таких как Международная энергетическая ассоциация (МЭА), одним из решений вопроса сокращения выбросов на мировом энергетическом рынке будет применение в качестве топлива природного газа. Благодаря своей доступности и хорошим экологическим показателям, этот вид топлива будет играть важную роль в системе энергоснабжения будущего. Применение двигателей MAN для выработки энергии позволяет предприятиям снизить энергоемкость производства и улучшить экологическую обстановку. Выпускаемое компанией оборудование включает решения для эффективного решения вопроса главного двигателя на суде (корабле), производства электроэнергии, тепла и холода, а также предоставления оперативного резерва, который может быть введен в эксплуатацию в кратчайшие сроки.  Все решения могут быть адаптированы под требования заказчика, что гарантирует максимальную окупаемость инвестиций.

 MAN B&W производитель двухтактных двигателей от MAN Diesel & Turbo на протяжении многих лет был основным производителем главных двигателей и генераторных установок, выбираемых для сухогрузов, танкеров и контейнеровозов всех мощностей.

По своей природе, двигатели с малыми оборотами поддаются прямой связи с гребным винтом, то есть без редуктора. Это способствует высокой эффективности, повышенной надежностью и низкой стоимостью обслуживания силовой установки.

2. Подбор турбокомпрессора

Турбокомпрессоры

Компания «МАН Дизель и Турбо» уже почти 80 лет занимается производством турбокомпрессоров, конструкция которых предусматривает использование плоских подшипников скольжения и кожуха тракта горячего газа без охлаждения. С момента производства первого турбокомпрессора для дизельного двигателя в 1934г., компания накопила уникальный опыт и знания в области этих агрегатов, которые позволяют значительно повысить мощность и топливный КПД для широкого диапазона двигателей, включая судовые пропульсивные системы, дизельные электростанции и рельсовые тягачи.

В настоящее время в эксплуатации находится более 20 000 турбокомпрессоров нашего производства, обладающих высоким КПД.

Сегодня компания проектирует и изготавливает современные высокоэффективные турбокомпрессоры с радиальными  (< 6 500 кВт) или осевыми (> 1650 кВт) турбинами. Диапазон мощности  турбокомпрессоров, как для двухтактных, так и для четырехтактных двигателей, составляет от 390 до 30 000 кВт из расчета на турбокомпрессор.

Запустив  серию силовых турбин, мы получили возможность предложить нашим потребителям техническое решение по увеличению экономии топлива и повышению удельной мощности двигателей, работающих с полной или почти полной нагрузкой, а система VТА (регулируемый сопловый аппарат турбины) производства «МАН Дизель и Турбо» применяется для судов, работающих с частичной нагрузкой.

Осевые турбокомпрессоры (серии ТСА, NA/S и NA/T9)

Компания разрабатывает и производит широкий ассортимент осевых турбокомпрессоров для использования с высокомощными двигателями  – до 30000 кВт (из расчета на турбокомпрессор). Осевые турбокомпрессоры «МАН Дизель и Турбо» предназначены для применения с двух- и четырехтактными двигателями, работающими на дизельном топливе, биотопливе, газе и мазуте.

Радиальные турбокомпрессоры (серии  TCR и NR/S)

Радиальные турбокомпрессоры производства компании «МАН Дизель и Турбо» незаменимы при работе с дизельными двигателями для генерирования высоких мощностей в диапазоне 390 – 6700 кВт. Компания поставила более 40 000 турбокомпрессоров серии NR для увеличения мощности дизельных двигателей в различных отраслях  промышленности и географических регионах. Радиальные турбокомпрессоры могут использоваться с двух- и четырехтактными двигателями, работающими на дизельном топливе, газе, биотопливе и мазуте.

Силовые турбины

Силовые турбины используют излишки энергии, полученной от высокоэффективных турбокомпрессоров, эксплуатационные характеристики которых могут превышать требования двухтактных дизельных двигателей. Компания «МАН Дизель и Турбо» предлагает решения, позволяющие использовать избыточную мощность турбокомпрессорной системы для повышения общей эффективности установки с помощью силовых турбин или турбокомпаундных систем.

Силовые турбины нашего производства представлены в пяти размерных рядах мощностью до 4700 кВт.

Регулируемый сопловой аппарат (системаVTA)

Система VTA состоит из кольцевого соплового аппарата, оснащенного регулируемыми лопатками, которые в некоторых случаях  заменяют сопловой аппарат с фиксированными лопатками в стандартных турбокомпрессорах серий TCA и TCR. С помощью изменения шага лопаток происходит регулирование давления выхлопного газа, таким образом, объем воздуха можно точно соотнести с количеством впрыскиваемого топлива во всех точках диапазона нагрузки и частоты вращения двигателя. Результатом является снижение удельного расхода топлива, сокращение выбросов HC и CO₂, а также улучшение реакции двигателя на сброс/наброс нагрузки.

Двухступенчатый турбонаддув

С помощью двухступенчатого турбонаддува можно значительно увеличить давление наддувочного воздуха. В результате производится дополнительная удельная мощность и (в совокупности с циклом Миллера) снижение уровня вредных выбросов в выхлопе двигателя, а также уменьшается расход топлива. Серия TCX компании «МАН Дизель и Турбо» включает турбокомпрессоры, специально предназначенные для двухступенчатого турбонаддува в двух- и четырехтактных двигателях.

Характеристики серии TCR Турбокомпрессоров

Рентабельная эксплуатация современных судовых двигателей немыслима без турбонагнетателей.

Турбокомпрессоры от MAN Diesel & Turbo в равной мере испытаны и протестированы с судовыми главными двигателями, вспомогательными двигателями и в стационарных системах, при самых разнообразных условиях эксплуатации. Надежность, простота в обслуживании и долгие интервалы работоспособности были подтверждены опытом на протяжении десятилетий. В серии TCR стоит ожидать не только увеличения эффективности, но также существенные улучшения в надежности и увеличения срока службы.

Турбокомпрессоры TCR серии могут быть использованы на двухтактные и четырехтактные двигатели с постоянным или импульсивным турбонаддувом и мощностью от 550 до 6500 кВт.

Таблица 2.1. Подбор турбокомпрессора.

Марка	Удельный расход воздуха(L)	Давление воздуха (мах)	Диаметр турбокомпрес­сора
TCA 44	9	до 4,6	1000		2,074
TCR 22	8	4,3	996		1,74

Я выбираю для своего МОД (MAN B&W 5S35ME-B9), исходя из небольшого веса, относительно меньшего диаметра, и хотя чуть поменьше производительностью, но габариты играют окончательную роль, турбокомпрессор   MAN  TCR 22.

Рисунок 2.1. Диапазон (поле) работы ТК

Отличают следующие эксплуатационные характеристики ТК:

1)    Степень повышения давления, (MAX);

2)    Расход воздуха через компрессор,  или ;

3)    Температура газов перед турбиной, (MAX), ;

4)    Рабочий диапазон оборотов ротора, ;

5)    Давление масла на входе, ;

6)    Минимальное давление масла на входе, ;

7)    Максимальная температура масла,;

8)    Вес, .

Габариты

Рисунок 2.2. Габариты ТК TCR 22 для 2-тактных ДВС.

Таблица 2.2. Габариты ТК TCR 22.

, (с потребительным патрубком воздуховода),
2200	1068	1788	996

Рисунок 2.3. Конструкция  ТК  TCR 22

1. Шумоглушитель;

2. Отводчик центробежного компрессора;

3. Плавающие подшипники;

4. Кольцевой патрубок ( профилированное кольцо сопла турбины);

5. Отводчик выхлопных газов;

6. Рабочее колесо турбины;

7. Перепускной патрубок  ОГ (ВГ);

8. Рабочее колесо компрессора;

9. Отводчик сжатого воздуха.

3. Системы охлаждения

Схема системы охлаждения дизелей

В настоящее время наибольшее распространение для судовых двигате­лей имеет система охлаждения (СО), схема которая, показана на Рис. 3.1. Эта система максимально компактна, проста и эффективна. В ней все теплооб­менники охлаждаются забортной водой, что обеспечивает в них максималь­ный температурный напор и, соответственно, минимальные габариты.

Рисунок 3.1. Общая схема системы охлаждения (СО) дизеля.

Недостатком такой системы является необходимость применения во всех теплообменниках поверхностей теплообмена из высоко стойких к морской воде материалов - мельхиора, титана, нержавеющей стали, медно-никелевых сплавов и т.п. При этом опасность разру­шения теплообменных поверхностей не исключался и даже остается более высокой, чем при использовании в качестве хладагента прес­ной воды, тем более воды, специально обработанной и содержащей ингибиторы коррозии. Замена остродефицитных цветных металлов и их сплавов иными материалами, например, эмалированными пласти­нами из черных металлов, принципиально возможно, но ведет к рос­ту габаритов и усложнению конструкции теплообменников. В связи с этим для теплообмена с забортной водой целесообразно использовать не все теплообменники, а минимальное их число, исключая контакты с морской водой там, где повреждение поверхности теплообмена наиболее опасно.

Требования, предъявляемые к работе систем охлаждения

двигателей на номинальном режиме

Все системы двигателя работают на различных режимах работы, в связи, с чем они оснащаются различными устройствами для регулиро­вания при смене режимов.

Предполагается, что на номинальном режиме работы данные уст­ройства зафиксированы в одном из своих крайних положений и не из­меняют расчетных параметров работы СО. Необходимо отметить, что номинальный режим работы СО – является наиболее нагруженным для всех ее элементов и что при удовлетворении номинальному режиму СО обеспечит нормальную работу двигателя на любом другом режиме при соответствующем регулировании.

На номинальном режиме работы двигателя к СО предъявляются сле­дующие требования:

·           обеспечить температуру воды перед двигателем в пределах

75...55 ; большие температуры предпочтительнее с точки зрения термодинамики, но не всегда реализуются в действительных конст­рукциях, особенно в двигателях больших размеров, по технологичес­ким причинам;

·           обеспечить перепад температур на двигателе  2...15 ; меньшие перепады целесообразнее для конструкции двигателя, но требуют больших расходов вода, что ведет к снижению механическо­го КПД установки;

·           обеспечить температуру масла на выходе из двигателя

·           75...95 ; конкретные цифры зависят от марки масла; рост темпера­туры масла выгоден по соображениям термодинамики, но ограничен условиями работы пар трения в механизме двигателя; температурный перепад по маслу рекомендуется 2...8 , допускается до 15 ;

·           обеспечить температуру надувочного воздуха за охладителем

30...60 ; меньшие температуры повышают экономичность машины но при этом растет токсичность выхлопа;

·           исключить возможность парообразования в зарубашечном про­странстве дизеля и полостях крышки;

·           обеспечить надежность работы и безопасность для обслуживающего персонала.

Система, удовлетворяющая всем перечисленным требованиям, тем не менее, не мечет считаться оптимальной. Вопрос оптимизации пре­следует цель довести параметры системы до наибольшего положительного экономического эффекта от ее применения на двигателе.

Система охлаждения наддувочного воздуха ДВС

Использование: в машиностроении, а именно в двигателестроении. Сущность изобретения: система содержит агрегат наддува и охладитель наддувочного воздуха. Охладитель наддувочного воздуха выполнен в виде форсунки для впрыска и распыления воды, установленной на воздухопроводе между агрегатом наддува и впускным коллектором двигателя. Изобретение обеспечивает устранение водовоздушного и воздуховодяного теплообменников, а также вентилятора с приводом.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) с наддувом.

Известна система охлаждения наддувочного воздуха ДВС содержащая агрегат наддува, охладитель наддувочного воздуха в виде водовоздушного теплообменника, водяной насос, охладитель воды в виде воздуховодяного теплообменника, а также вентилятор с приводом.

Недостатками этой системы охлаждения наддувочного воздуха ДВС являются большая металлоемкость и низкая надежность, обусловленные наличием водовоздушного теплообменника охлаждения наддувочного воздуха и воздуховодяного теплообменника охлаждения охлаждающей воды.

Наиболее близким техническим решением является система охлаждения наддувочного воздуха тепловозного дизеля  содержащая агрегат наддува с компрессором, охладитель наддувочного воздуха в виде водовоздушного теплообменника, воздухопровод, соединяющий агрегат наддува с выпускным коллектором двигателя, а также охладитель воды и вентилятор с приводом.

Недостатками известной системы охлаждения наддувочного воздуха ДВС являются большая металлоемкость и низкая надежность, обусловленная наличием теплообменников охлаждения наддувочного воздуха и охлаждающей воды. Задачей изобретения является снижение металлоемкости и повышение надежности системы. Задача решается в системе охлаждения наддувочного воздуха, содержащей агрегат наддува с компрессором, охладитель наддувочного воздуха и воздухопровод, соединяющий агрегат наддува с впускным коллектором двигателя.

Согласно изобретению охладитель наддувочного воздуха выполнен в виде форсунки для впрыска и распределения воды, установленной на воздухопроводе между агрегатом наддува и впускным коллектором двигателя, и в системе дополнительно установлены плунжерный водяной насос высокого давления, соединенный с валом двигателя с возможностью отключения от него, датчик температуры наддувочного воздуха, задатчик скорости вращения вала двигателя и автоматический орган управления подачей воды к форсунке.

При осуществлении изобретения могут быть получены следующие технические результаты.

1. Устранение водовоздушного теплообменника охлаждения наддувочного воздуха и холодильника охлаждения воды, охлаждающей наддувочный воздух.

Этот результат является следствием того, что охладитель наддувочного воз­духа выполнен в виде форсунки, установленной на воздухопроводе между агрегатом наддува и впускным коллектором двигателя и осуществляющей впрыск воды в надду­вочный воздух, пода­ваемый агрегатом над­дува. Вода, поступаю­щая из форсунки в рас­плавленном виде, в наддувочном воздухе испаряется и снижает его температуру.

Устранение водовоз­душного теплообмен­ника и холодильника воды снижает расход металла, в том числе цветного, на изготовление системы охлаждения наддувочного воздуха и по­вышает надежность системы.

2. Устранение вентилятора с приводом, подающего воздух для обдува холодильника воды. Этот результат явля­ется следствием устранения холо­дильника.

Рисунок 3.2. Схема системы ОНВ ДВС

Система ох­лаждения наддувоч­ного воздуха (ОНВ) двигателя 1 (см. Рис. 3.2.), содер­жит агрегат наддува 2 с компрессором 3, воздухопровод 4, соединяющий ком­прессор 3 с впускным коллектором 5 двигателя 1, и охладитель надду­вочного воздуха, выполненный в виде форсунки 6 для впрыска и распыления воды, установленной на воздухопроводе 4 между агрегатом наддува 2 и впу­скным коллектором 5 двигателя 1. В системе дополнительно установлены плунжер­ный водяной насос 7, датчик 8 температуры наддувочного воздуха, задатчик 9 скорости вращения вала двигателя 1 и автоматический орган управления (АОУ) 10 подачей воды к форсунке 6.

Плунжерный водяной насос 7 соединен трубопроводом 11 с форсункой 6 и трубопроводом 12 с водяным баком 13 и с помощью управляемой муфты 14 связан с валом двигателя 1 (на чертеже связь не показана) с возможностью отключения от него. На трубопроводе 12 размещен запорный клапан 15.

Датчик 8 температуры наддувочного воздуха установлен на воздухопроводе 4 между компрессором 3 и форсункой 6. Датчик 8 температуры наддувочного воздуха и задатчик 9 скорости вращения вала двигателя 1 подключены к АОУ 10.

Система охлаждения наддувочного воздуха работает следующим образом: атмосферный воздух компрессором 3 агрегата наддува 2 сжимается и по воздухопроводу 4 подается во впускной коллектор 5 двигателя 1. Температура наддувочного воздуха измеряется датчиком 8, сигнал от которого подается в АОУ 10.

Для охлаждения наддувочного воздуха при его температуре выше допустимой по сигналу датчика 8 АОУ 10 включает управляемую муфту 14, соединяя вал плунжерного насоса 7 с валом двигателя 1, и открывает запорный клапан 15.

Вода из бака 13 поступает в плунжерный насос 7 и по трубопроводу 11 под высоким давлением подается в форсунку 6. Вода форсункой 6 в распыленном виде впрыскивается в наддувочный воздух и в нем испаряется, отбирая от него теплоту, в результате чего температура наддувочного воздуха снижается. Цикловая подача воды к форсунке 6 регулируется положением рейки плунжерного насоса 7, которое изменяется АОУ 10 по сигналу задатчика 9 скорости вращения вала двигателя.

При температуре наддувочного воздуха ниже допустимой его охлаждения прекращают. По сигналу датчика 8 АОУ 10 выключает управляемую муфту 14, отсоединения вал плунжерного насоса 7 от вала двигателя 1, и закрывает запорный клапан 15.

При этом плунжерный насос 7 отключается и вода форсункой 6 в наддувочный воздух не подается.

Система ОНВ двигателя внутреннего сгорания, содержащая агрегат наддува с компрессором, охладитель наддувочного воздуха и воздухопровод, соединяющий агрегат наддува с выпускным коллектором двигателя, отличающаяся тем, что охладитель наддувочного воздуха выполнен в виде форсунки для впрыска и распыления воды, установленной на воздухопроводе между агрегатом наддува и впускным коллектором двигателя, в системе дополнительно установлены плунжерный водяной насос высокого давления, соединенный с валом двигателя с возможностью отключения от него, датчик температуры наддувочного воздуха, задатчик скорости вращения вала двигателя и автоматический орган управления подачи воды к форсунке. Поскольку температура воздуха при его сжатии в компрессорах повышается, массовое наполнение двигателя снижается, и напряженность его деталей возрастает, что ограничивает форсирования двигателя путем повышения давления воздуха или горючей смеси на входе в цилиндр. Поэтому в комбинированных двигателях широко используют охлаждения воздуха после компрессора перед его поступлением в цилиндр, что позволяет не только уменьшить теплопапряженность деталей двигателя, но и увеличить массовое наполнение цилиндра.

В двигателях внутреннего сгорания наиболее часто применяют рекуперативные (поверхностные) охладители, в которых передача теплоты от воздуха в охлаждающей среды происходит через разделяющую их поверхность. Теплопередающая поверхность образована из трубок или пластин различной конфигурации. Охлаждающим средой могут быть вода, воздух, фреон, аммиак и т.п.

Поверхностные воздухоохладители классифицируют по типу охлаждающей среды: водовоздушные, водяные, воздуховоздушные, фреоновоздушные, по конструкции теплопередающей поверхности: трубчатые и пластинчатые; по направлению потоков рабочих сред: прямоточный, смешанного и перекрестного типа.

Трубки охладителя воздуха изготавливают круглого или овального сечения в основном из меди, латуни, коррозионно-стойкой стали, мельхиора. Для интенсификации теплообмена на внешнюю поверхность трубок припаивают (приваривают) или накатывающего ребра различной конфигурации. В условиях сильных вибраций более надежными являются трубки с накатанным ребрами но теплопередающая способность таких трубок менее трубок с припаянными (приваренными) ребрами.

Список литературы

1.     Двигатели внутреннего сгорания: Системы поршневых и комбинированных двигателей. Под общ. ред. А.С.Орлина и М.Г.Круглова. М. Машиностроение, 1985, с. 456.

2.     Малинов М.С. Куликов Ю.А. и Черток Е.Б. Охлаждающие устройства тепловозов. М. Машгиз, 1962, с.260.

3.     Пособия для выполнения РГР: Расчет системы охлаждения ДВС. Под общ. ред. Мошенцев Ю.Л. и Сацкий А.Г. Николаев; НКИ, 1986 – 40с.

4.     Судовые энергетические установки. Под общ. ред. В.М.Артемов, Г.А.Горбов. Николаев: УГМТУ, 2002. – 356с.

5.     http://mandieselturbo.com

6.     http://www.wartsila.com