Использование энергии выпускных газов для наддува

При анализе термодинамического цикла отмечалась возможность повышения его эффективности (увеличения удельной работы цикла) вследствие продолженного расширения рабочего тела в лопаточных машинах. В действительном цикле идея продолженного расширения реализуется путем использования энергии выпускных газов в газотурбокомпрессорах, применяемых для наддува двигателя.

Полная располагаемая энергия выпускных газов Е складывается (рис. 1, а, б) из энергии расширения газов:

от давления в цилиндре р_имп до давления в коллекторе перед турбиной р_Т — составляющая Е₁

от давления в коллекторе перед турбиной р_т до давления атмосферного воздуха р_т0—составляющая Е₂

Составляющая Е₁ носит импульсный (пульсирующий) характер и представляет собой пики изменения давления, температуры и скорости газа, возникающие в выпускной системе, перед турбиной в процессе свободного выпуска газов из цилиндра.

Составляющая Е₂ имеет более постоянный характер и представляет собой энергию, характеризующуюся относительным постоянством давления p_Т = const, температуры^; и скорости газов перед тур­биной на участке между импульсами (см. рис. 1, б) или в течение всего периода выпуска (рис. 1, в, г).

В газовой турбине могут быть использованы обе составляющие энергии газов, однако степень использования импульсной состав­ляющей зависит от способа подвода газов к турбине, в зависимости от которого газотурбинный наддув подразделяют на импульсный и постоянный.

 Импульсный газотурбинный наддув происходит при переменном давлении газов перед турбиной. При импульсном наддуве (см.рис. 1, а, б) нужно максимально использовать (импульсную составляющую энергии газов E₁. С этой целью:

1)   увеличивают предварение открытия выпускных органов, чтобы отбирать газ из цилиндров при более высоких температурах.

2)   во избежание расширения газов в выпускной системе их подво­дят к тазовой турбине по коротким патрубкам 2 малого сечения и по возможности турбину 3 приближают к цилиндрам,

3)   чтобы импульсы отдельных цилиндров не накладывались один на другой и не мешали продувке в соседних цилиндрах, выпускную систему двигателя разделяют на несколько самостоятельных трубо­проводов, подводящих газ к одной или нескольким турбинам;

4)   к каждой турбине для получения максимального КПД подключа­ют не более трех цилиндров, выпуски которых в соответствии с по­рядком работы максимально разносят один от другого.

В результате такой организации выпуска в импульсных газовых турбинах двухтактных МОД удалось достигнуть использования 35-45% энергии импульса Е₁. В четырехтактном двигателе установка нескольких турбин по экономическим соображениям нецелесообразна, поэтому объемы выпускных трактов относительно велики, что снижает давление импульса и соответственно долю используемой энергии; в четырехтактном среднеоборотном двигателе она составляет (0,2—0,3).

Преимущества импульсной системы наддува:

1)   более полное использование энергии газов, что облегчает зада­чу балансирования мощностей турбины 3 и компрессора 4 (см. рис. 1, а, д);

2)      лучшее снабжение двигателя воздухом при пуске и на режимах малых частот вращения и нагрузок, в связи с чем в двухтактном двигателе с прямоточной схемой газообмена исключается необходимость в использовании дополнительных нагнетателей с независимым приводом

3)   быстрое реагирование турбокомпрессора на изменение режима работы двигателя, что обеспечивает его хорошую приемистость;

4)   лучшая продувка цилиндров благодаря более низкому дав­лению в выпускных патрубках в период продувки.

Недостатки импульсной системы наддува;

1)   сложность выпускного, тракта;

2)   необходимость установки на больших двигателях нескольких турбин, максимально приближенных к питающим их цилиндрам, по­скольку подключение к одной турбине более трех цилиндров и увели­чение объема и длины подводящих выпускных патрубков сущест­венно снижают эффективность использования импульсной состав­ляющей энергии газов;

3)   более низкий КПД турбины (по сравнению с турбиной на посто­янном давлении η_тп) вследствие непостоянства давления и скорости газов на входе в турбину, перетекания газов из-за наличия раздель­ного соплового аппарата, больших потерь на вентиляцию и пр.

Сростом давления наддува р_к и р_е доля импульсной составля­ющей Е_± в общей энергии сокращается, поэтому, учитывая отмечен­ные недостатки, область использования импульсной системы огра­ничивается значениями р_к = 0,13 - 0,18 МПа.

Постоянный газотурбинный наддув происходит при постоянном давлении газов перед турбиной (см. рис. 1, в, ё). Продукты сгора­ния из всех цилиндров 1 направляются в один общий выпускной кол­лектор 7, в котором из-за его большого объема давление газа, не­смотря на цикличность поступления, выравнивается и поддержи­вается на постоянном уровне р_Т (см. рис. 1, г), определяемом количеством поступающего газа, его параметрами и пропускной способностью турбины. Из коллектора газ поступает в одну или две турбины 3 (5 —воздухоохладитель, 6—ресивер). При такой орга­низации выпуска кинетическая энергия Е₁ в турбине не исполь­зуется, часть ее теряется на дросселирование газа в выпускных органах, на его перетекание из цилиндра в коллектор, а часть переходит в потенциальную составляющую; увеличивая ее на ΔЕ₂. (площадь rr'е'е—см. рис. 2). В итоге при наддуве с постоян­ным давлением располагаемая энергия E_пгтн =E₂+ΔE₂.

Постоянство потока газа в турбину, обусловленное p_т= const, позволяет получить более высокие значения КПД турбокомпрес­сора (η_гтк = 66÷72 %), что в свою очередь дало возможность в современных двигателях полностью перейти на газотурбинные над­дув, отказавшись от использования подпоршневых полостей каче­стве дополнительных компрессоров.

Литература

Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 2. / И.В.Возницкий, А.С.Пунда – М.:МОРКНИГА, 2010.- 382 с. Стр. 114-117.

Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 2. / И.В.Возницкий, А.С.Пунда – М.:МОРКНИГА, 2008.- 470 с. Стр. 156-160

Возницкий И. В. Судовые дизели и их эксплуатация / И.В.Возницкий, Е.Г.Михеев – М.:Транспорт, 1990. - 360 с Стр. 249-252