автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Повышение топливной экономичности быстроходного двигателя за счет утилизации энергии отработавших газов в силовой турбине

РГ6 од

ХАРЬКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА '

На правах рукописи Аспирант ЕЛИЗЕВА Елена Владимировна

ПОВЫШЕНИЕ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ БЫСТРОХОДНОГО. ДВИГАТЕЛЯ ЗА СЧЕТ УТИЛИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ В СИЛОВОЙ ТУРБИНЕ

Специальность 05.04.02 - тепловые двигатели

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков - 1993 г.

Работа выполнена на кафедре "Теплотехника и тепловые двигатели" Харьковского института инженеров железнодорожного транспорта.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент В.А.Петросянц. »

Официальные оппоненты- доктор технических наук,

профессор Н.К. Шокотов, кандвдат технических наук, В.Г. Рябикпн. :

Ведущее предприятие - Харьковское конструкторское

бюро по двигателям / ХКЦД /

Защита состоится часов на заседании о пециализировап'ного совета ^114,04.01 по специальности 05.04.02 - тепловые двигатели при Харьковском.институте инженеров железподоро&ного транспорта по адресу: г. Харьков, пл. Фейербаха, 7, ХИИТ.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке елстатута.

Автореферат разослан " ^99■¿>т.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

В.И, Пелепейченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Проблема экономии сырьевых ресурсов, как никогда, актуальна в настоящее время. Поэтому основной тенденцией в развитии глзгзпюстроения и, в частности, дизелестроеиия является повынешгз экономичности, надежности и долговечности машин.

Анализ проведенных ранее исследований показал, что в современных двигателях преобладает тенденция к увеличению литровой ксщиости пря сохранения всех существующих требований. а таете максимальная уни^етсшщя по основным деталям, что позволяет уменьшить объемы исследовательских и конструкторских работ. Наиболее высокими показателями обладают модификации о газотурбинным наддувом, при котором существенно улучшается использование рабочего объема цилиндров двигателя.

Наряду о традиционными методами, применяемыми для повышения экономичности дизельных двигателей, такими ках совершенствование рабочего процесса, повышение КГЩ агрегатов наддува и др., а дизелестроеиия вдет активный поиск нетрадиционных схем комбинированных установок.

Одной аз таких схем является схема системы газотурбинного наддува со свободным турбокомпрессором и силовой турбиной. Преимущества такой охемы в том, что, во-первых, происходит более полное ис'пофзование энергии отработавших газов, во-зторнх, мощность, вырабатываемая силовой турбиной, может слухпть для увеличения мощности двигателя, либо, при сохранении мощности силогол установки, для разгрузки ее поршневой части, что способно повысить показатели надежности и долговечности цилиндро-поршневой группы двигателя. Вместе с тем, вопросы использования турбокомлауадной схемы на дизелях автотракторного типа еще недостаточно изучены.

Поэтому возникла необходимость исследования возможности повышения топливной экономичности двигателей автотракторного типа за счет примекзнвя силовой турбины в системе газотурбинного наддува.

Цель работы, Целью данной диссертационной работы является исследование возможности псбыщ&ттзл гошшвной аконошч-автотракторного дизеля 6ЧН12/14 за счет применения з системе газотурбинного надяува высокоэффективно^ саговой тутб?нк.

Исходя из этого•определены следующие задачи исследования.

1. Разработка математической модели турбокомпаундного двигателя.

2. Проведение ыного$анторцой оптимизации о целью определения оптимальных конструктивных параметров силовой турбины и турбины свободпого турбокомпрессора, обеспечивающих повышение топливной экономичности в широком диапазоне рабочих режимов двигателя 6ЧПТ2/Т4,

3. Исследование иагрузочппх характеристик турбопемпаувд-иого двигателя и определение диапазона нагрузок, при котором целесообразно применение силовой турбтш,

4. Проектирование и изготовление силовой турбины оптимальной конструкции.

5. Экспериментальная проверка полученных результатов на безмоторном и моторном стендах.

Научная ковязиа. Разработана математическая модель Турбо-колтаундного двигателя на основе ранее созданных на.кафедре "Теплотехника и тепловые двигатели" ыатеа'лтических моделей поршневой части двигателя, компрессора и радиаяъно-осевой турбина, позволяющая проводить многофакторцую оптимизацию лопаточных машин систеш ГТН.

Впервые проведена совместная миого$акторкая оптимизация конструкций силовой турбины к турбины турбокомпрессора в составе математической модели двигателя, основанная.на разработан-' ной совместно с кафедрой "Прикладная математика" ХПИ методика ■ оптимизации лопаточных мааии ДЗЗС. В результате создана внеоко-вффектиБнан силовая турбина, обеспечивающая существенное повышение топливной зконокпчисйтн быстроходного четырехтактного двигателя за счет турбокомпаундированпйс

На основшш вшюлнвшшх исследований установлено:

- при равном давлении ааддува на номинальном режима работа турбокомпаувдкый двигатель при енижешк: частоты арацения коленчатого вала развивает большее давление наддува по срЕЗ?;еи2® с двигателем о традиционной системой газотурбинного наддува, что приводит к снижению температура газов перед турбиной ТКР< улучшению индикаторного К1Щ двигателя к» ка:< следствие„ к улучшению топливной экономичности. Для двигателей тракторного типа -гурбо-компаундировакиЕ означает возможность повышения коэффициента приспособляемости.

- при работе двигателя по нагрузочным характеристикам тур-бокоьшаупдиров&няе приводит к снижению расхода топлива при на-^узках ас менее S'e&í/ Для того, чтобы увеличить диапазон экономичной работы турбокомпаундного двигателя необходимо применять редуктор о переменным передаточным отношением.

Практическая ценность. В результате оптимизационных исследований были выбраны оптимальные конструктивные параметры турбины свободного ТКР, силовой турбины.

По результатам оптимизации была спроектирована и изготовлена силовая турбина оптимальной конструкции с диаметром колеса 125 мм, испытания которой на безмоторном стенде показали высокие значения внутреннего п эффективного КЦЦ /%¿>t- 0. hae=o,7$f.

Экспериментальная проверка результатов расчетных исследований па развернутом двигателе СВД-31 показала:

- повышение топливной экономичности на номинальном режиме работы /Уеау = 184 кВт составило 8 г/кВт. ч, а при форсировании до Уеау = 200 кВт ~ 10 г/кВт.ч.

- увеличение давления наддува за счет установки силовой турбины при снижении частоты вращения коленчатого вала. На режиме максимального крутящего момента давление наддува возрастает на 0,016 МПа, увеличивается коэффициент избытка воздуха с 1,45 до 1,54, понижается температура отработавших газов на 47 К, при этом удельный эффективный расход топлива снижается на 6 г/кВт.ч.

В результате проззденных расчетно-эксперименталыгах исследований доказано, что установка силовой турбины на дизелях автотракторного типа целесообразна.

Внедрение работы. Результаты работы внедрены в Головпом специализированном бюро по двигателям средней мощности /г.Харьков/. К внедрению принята конструкция силовой турбины ТС-12,5 для дизелей семейства 6ЧН12/14.

Экономический эффект от внедрения силовой турбины ТС-12,5 составляет 19 мин. рублей цри годовой программе выпуска двнгат телей 6ЧН12/14 /в ценах января 1992 г./.

Апробация работы. Основные рузультаты работы докладывались: на научно-практическом семинаре и Совершенствование• ыогдостных, экономических и экологических показателей ДВО1' / г. Владимир, 1991 г./, на научно-технических копфт.реяци-

ях Харьковского института инженеров железнодорожного транспорта в 1991... 1992 г.

Публикации. По теме диссертация опубликована статья i тезиса доклада.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов,приложения, содержит /OS страниц машинописного текста. рисунков, ¿6 таблиц, список литературы, включающий наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследуемой проблемы, рассмотрены общая постановка задачи и пути ее исследования.

А первой главе на основании анализа отечественных и зарубежных публикаций, посвященных вопросам повышения эффективности двигателей за счет совершенствования системы газотурбинного наддува / ГТН / установлено, что наиболее существенным резервом повышения- топливной вкшюмичности является более полное использование энергии отработавших газов.

Одним из способов использования энергии отработавших газов является газотурбинный наддув, который стал составной частью современных форсированных двигателей внутреннего его« рания. От совершенства системы газотурбинного наддува и рациональной ее.организации зависит возможность достижения высоких технико-экономических показателей двигателя и в первую очередь, повышения топливной экономичности.

Поэтому в обзоре литературных лоточников внимание уделено оценке эффективности систем газотурбинного наддува, в том числе "импульсной" системе наддува, как наиболее предпочтительной, а также вопросам влияния КПП турбокомпрессора на параметры системы турбонаддува и на эффективные показатели работы дизеля. '

Однако, даже у внсокофорсированных систем ГТК отработавшие газы обладают большой энергией. Поэтому все большее количество двнгателзстронтельных фирм во всем мире обращается к вопросу турбокомлаундирования двигателей, когда наряду со • свободным турбокомпрессором устанавливается соединенная с коленчатым валом газовая турбина, и модность создается не только в имлиндргис двигателя, но и в силовой турбине. Анализ ис-

следований " адиабатных-" двигателей показал, что их использование целесообразно лишь в случае применения турбокомпаунд-ной с ¡хеш.

Исследования работы комбинированных двигателей с использованием избыточной мощности силовых турбин проводились рядом зарубежных фирм как для четырехтактных. Tait и для двухтактных ДВС. На основе исследований вопросов турбокомпаундирования двигателей, установлено, что использование силовых турбин не приводит к существенным изменениям конструкций двигателей и по сравнению с другими утилизационными системами требует меньших затрат.

Анализ известных литературных источников показал, что для дизельного двигателя автотракторного типа наиболее целесообразна схема последовательной установки силовой турбины за турбиной свободного турбокомпрессора. При такой схеме установки силовой турбины в случае уменьшения расхода газа на частичных нагрузках, повышенный перепад давлений срабатывается на первой по ходу газов турбине свободного турбокомпрессора, что способствует более быстрому разгону турбокомпрессора, ограничению цикловой подачи топлива, уменьшению удельного эффективного расхода топлива и дымности.

На основе анализа результатов исследований, посвященных использованию силовых турбин, установлено, что наиболее широкое применение они получили в двигателях большой размерности -судовых и стационарных, где расход отработавших газов достаточен для применения кнеокоэффективных осевых газовых турбин и переходные режимы составляют незначительную часть в эксплуатации. При этом достигается улучшение топливной экономичности двигателей до 5...7 %.

Благодаря создании зарубежными фирмами турбоагрегатов малой размерности с высокими КГЩ, исследования, проведенные в последние годы показали возможность применения силовых тур-бил на быстроходных двигателях. Анализ исследований ферм Cummins, Û7îii'ûêii'fit, Scan ¿О ¿/руо.по установке силовых турбик на двигатели грузовых автомобилей и автобусов показ ai возможность повышения топливной экономичности на 5 % и моздести до 30 %. • . .

Анализ опыта использования еялоакх турбин на различных типах двигателей показал, что важнейшей задачей tips разрвбо?-г* турбокомпаундных двигателей считается д«<5ор оптимального

соотношеиия мощности двигателя и силовой турбины, а также ее конструкции. Основным вопросом ряда исследований, посвященных этой теме, является выбор рационального соотношения давления газов.перед турбиной ТКР и давлением наддува.

Кроме того, анализ теоретических и экспериментальных работ в этой области для двигателей автотракторного тппа, проведенных в ХШ показал, что применение силовой турбины целесообразно лишь при высоких значениях КПП газовых турбин / г >0,751. Однако, практического подтверждения повышения тошгавкой экономичности двигателей автотракторного типа путем турбокомпаундярования не было получено.

Анализируя рузультаты исследований авторов, посвященные турбокомпаундирозанвю двигателей, можно сделать вывод о том, что воьрос использования силовых турбин на автотракторных двигателях еще недостаточно изучен и не получено экспериментальное подтверждение возможности улучшения топливной экономичности дизеля путем использования энергии отработавших газов в силовой турбине. Этим определены цель и задачи данного исследования.

Во второй главе изложены основные положения математической модели рабочего процесса турбокомпаундкого двигателя, включаюцей в себя моделирование рабочего процесса поршневой части двигателя, турбокомпрессора; состоящего из центробежного компрессора и радиально-осевой турбины, и силовой турбины. ....... -. '

Большое количество режимных и конструктивных параметров, подлежащих оптимизации, затрудняет применение полномасштаб-. ных развернутых моделей рабочих процессов в цилиндро-поршне-вой части двигателя, впускном и выпускном коллекторах. В связи с этим, модель турбокомпауядного двигателя была несколько упрощена за счет математической модели рабочего процесса собственно двигателя.

В качестве математической модели двигателя использова-г лись полиномиальные зависимости, позволяющие получить основа кке оараметрн рабочего процвсса от давления наддува Рз , температур« воздуха посла охладителя наддувочного воздуха 75 , г.ггвпегшя перед турбиной ТКР Р 7 , ци¡еловой подачи топлииа в ¡Ь'лккдри Ау , угла открытия выпускного клапана с/е при постоянно Г: частот? ьраценнп коленчатого вала Пд .

■>Э. '<гг, ¿V, Рмк^г--/'!'?г, Ъ,

Эти зависимости были получены при поглоии методов математического планирования вычислительного эксперимента на пол-•иомасзтабной кодела пилиндро-порзшзвой части двигателя.

В качества математической модели силовой турбины и турбины, турбокомпрессора применялась математическая модель ра~ диально-осезой турбины, разработанная на кафадрэ "Теплотехника и тепловые двигатели" ХИИТа. Модель позволяет -при заданной конструкции проточной чаотп и независимых параметрах -давления я температура газа перед ступенью, частота ззрэдзния ротора и давлении газа за ступенью - достоверно определить расход газа через ступень и се КЦЦ. Она успешно использовалась на кафедре при моделировании турбин турбокомпрессоров ТКР-!1, НС?-? и при проектировании ноеой турбинной ступени ТКР-8,5. Модель строится на поэлементном методе расчета. В кавдом элементе двинение газа описывается при помощи уравнений сохранения газовой динамики и зависимостей, описывающих диссипативные процессы - потери на трение вязкого газа о станки канала, кромочные потери и концевые, а также потери на "удар" при неоптимальных углах атаки на сопловые и рабочие лопатки и V , др.. Отличительной особенностью модели является учет влияния на потери конструктивных параметров элемента и режимных параметров-чисел Маха и Рейнольдса, а также ее универсальность в отношении типа направляющего аппарата, способа подвода газа в турбине и условий ее работы на двигателе.

При расчете эффективной мощности силовой турбкнн учтены потери мощности в редукторе л А, которые рассчитываются по зависимостям, полученным в ХПИ на кафедре ДВО.

Эффективная мощность турбскомпаувдного дзигат.гпя /силовой установки-/ //есу определяется как сумма эффективной моп^* ности собственно двигателя Же и эффективной мощности силовой турбины /Я?7 , а удельный эффективный расход топлива дойу

Математическая модель турбокомпаувдного двигателя позволяет при необходимости выключить из расчета силовую турбину а исследовать режимы работы двигателя с традиционной системой наддува, что необходимо в случав сравнения показателей работы турбскомлаундного и серийного двигателей.

Сопоставление экспериментальных нагрузочных характеристик' серпйного двигателя 6ЧН12/14 с расчетными показало аоекнатпогть разработанной катематичоской модели.

Третья глава посвящена вопросу оптимизации конструктивных параметров турбины свободного турбокомпрессора и оитазй турбины турбокомпаундного двигателя.

В качестве задачи анализа использовалась разработанная математическая модель турбокомпаундного двигателя.

Критерием качества оптимизируемого варианта является условие минимального удельного эффективного расхода тошшва силовой установки . При этом требуется выполнение функ-

циональных ограничений: на максимальное давление сгорания Рг ^ /У/Я? . на температуру отработавших газов в выпускном коллекторе 7>4 930X , на мощность СУЖ?<зуг /ЯЦК&т.

В число варьируемых конструктивных параметров по каздой турбине включались: площадь проходного сечения улитки на входе ¿Гсо , наружный радиус соплового аппарата Я со , высота сопловых лопаток £ор , конструктивный угол входа потока в сопловой аппарат о(он , конструктивный утол выхода потока из соплового аппарата о^/л- , число рабочих лопаток й-*- , осевая протяженность рабочего колеса Л'лг , периферийный диаметр колеса на выходе ^г/г. конструктивный угол выхода потока на диаметре Сдгл - /I го . Остальные конструктивные параметры -втулочный диаметр, диаметр вала и т. д.- задавались исходя из возможностей современной технологии.

Таким образом, количество варьируемых параметров по' каждой турбине составило девять, к тому же варьировалась и мощность собственно двигателя при наложении ограничения на мощность силовой установки //¡Гее</=/Мк£>т / с целью найти оптимальное распределение мощности собственно двигателя и силовой турбины.

Для проведения многофакторной оптимизации использовался метод оптимизации, описанный в диссертации и разработанный соБМ5стно кафедрами "Прикладная математика" ХПИ я "Теплотехни*-ка и тепловые двигатели" ХИИТа.

Оптимизация проводилась при номинальной частоте вращения коленчатого вала двнгателя/^ЛШУс« При одном типоразмере турбокомпрессора ТКР-11 оптимизировались поочередно три типоразмера силовой турбины с диаметрами колес 11 Омм,. 125мм, НО'им.

В четвертой главе приведены результаты оптимизации силовой турбины и турбины свободного турбокомпрессора, а также рассмотрено влияние установки силовой турбина на рабочий пронес:.- дуягателя.

На результатам оптт.тааш::! был нибран типоразмер сило-« вой турбины. При этом учитывалось вдкяниа_ типоразиара силовой •туро'тшм на передаточноз отисшокне редуктора и тогшинуя э:со-помглнссть силовой уетапортш. С уг.едпчспке?/! тэтгсргохгра они» хазтея перэдаточноз отггопгеиге редуктора, увеличивается г/аксе-мальный 1ЩД силовой турбт/ы и улучшается топливная зкопоулч-поста СУ, но з то кз время уиелтгппза'огся массо-габарптгшз показатели. Пргдпочтонпа было отдано силовой турбине с диакот-ром колеса 125 мм - ТС—12,5, у которой йакснцэлытй эффектив« 1шй КПД достигав? =0,78, а требуемое передаточное отношение ip - 15. При этом сппяениз удельного эффективного расхода топлива на номинальном режиме работы составляет 8г/нВт»ч.

Проведен анализ прячет повышения эффективности двигателя 6ЧН12/14 при установке па нем силовой турбшга ТС-12;5. Для этого, при помощи развернутой модели двигателя был выполнен расчет номинального режима работы, рекима максимального крутящего момента и нагрузочных характеристик/ т, ¿OOOsfw'J

Для объективного сравнения соблюдалось условие равенства давления наддуга на номинальном режиме работы базового и турбокомпаундного двигателей.

В результате -установлено следупцее.

С точки зрения рабочего процесса дизеля, а точнее процесса, газообмена, установлено, что применение силбвой турбины приводит к отрицательным последствиям. Так на номинальном режиме работы среднее давление насосных ходов поршня увеличилось с Pff.it. «г 0,07 МПа до 0,13 МПа / рис. 1,2 /. Коэффициент остаточных газов в цилиндре также увеличился с ¿f = 0,0307 до ^ = 0,0463, несмотря на малое перекрытие клапанов у базового двигателя^»/,™* * 52 град. Силовая турбина ТС-12,5 при /Кегу = 184 кВт вырабатывает более 10 % мощности силовой установки. Поэтому, вследствие уменьшения среднего индикатор-.• пого давления на 0,009 МПа из-за снижения мощности собственна двигателя, удельный индикаторный расход топлива увеличивается на 3,5 г/кВт«ч. Но, благодаря высокой эффективности силовой турбиш, на номинальном режиме работы С7 мощность, вырабатываемая ТС-12,5 и передаваемая на коленчатый вал двигателя.на 47 % превышает увеличение модаооти, затрачиваемой на насоопые хода цоршня, т.е. главным условием успешного турбохомпаумдир(>» ванпя двигателя является ¡&P».it./>(? / рис. 2 /.

Расчетные исследования также показали, что при снистякв

tO.

иаг-рузки СУ ври/^йф/выигрыш в Qe от установки силовой тур-оикы снижается и при мощности /те < 0,5удельный эф$е~- -тивный расход топлива турбокомпауидного двигателя становится больше, чем у базового. Объясняется это снижением КЦД силовой турбины из-за увеличения характеристического числа силовой турбины. Очевидно, что при необходимости, устранить этот недостаток возможно применением редуктора с переменны?/, передаточным отношением. , .

Как уже отмечалось, установка силовой турбины приводит к разгрузке поршневой части двигателя по мощности. Вследствие этого, а такне из-за существенного снижения расхода топлива на номинальном реаиме работы СУ Уесу = 184 кВт наблюдается увеличение коэффициента избытка воздуха с оС = 1,78 до оС = 1,83 и, следовательно, снижение температуры Еыпускных газов перед турбиной турбокомпрессора на 15 К."

факим образом, установка высокоэффективной силовой турбины на двигатель, помимо существенного снижения расхода топлива, приводит к снижению механической и тепловой напряженности деталей двигателя и способствует повышению показателей надежности и долговечности.

Анализ кривой давления в выпускном коллекторе показал, что установка силовой турбины практически не изменяет условия работы турбины турбокомпрессора с точки зрения амплитуды пульсаций. В то не время, давление газов перед силовой турбиной остается практически постоянным, т.е. силовую турбину можно рассматривать как "изобарную".

Исследования рабочего процесса турбокомпауидного двигателя 6ЧН12/14 на режиме максимального крутящего момента выявили еще одно существенное преимущество установки силовой турбины за турбиной турбокомпрессора - увеличение давления наддува на 0,016 Müs по сравцеюш с серийным двигателем при том, что на номинальном режиме работы давление наддува у базового и турбо-комиаундного двигателей было одинаковым. Объясняется это уменьшением пропускной способности турбины турбокомпрессора при установке за ней силовой турбины. В результате, при снижении расхода газа турбина ТКР з турбокомпаундкой схеме вырабатывает и отдает компрессору большую модность из-за увеличения степени поникания давления <&г , Вследствие увеличения давления наддува на 0,'l увеличивается коз'гфщие-Гт избытка воздуха. При этом сни~ kcfhc расхода топлива на реякке максимального крутящего момен-

1Т-

та составило 3 %.

Пятая глава посвящена результатам экспериментального исследования силовой турбины' и турбокомпаундного двигателя.

По результатам оптиетзацил была сироектпровг.па п изготовлена силовая турбина оптимальной конструкции.

Экспериментальные исследования силовой турбины проводились на безмоторном воздушном стенде ГСКБД. Програкяа испытаний предусматривала исследование характеристик спловой турбины на скоростных режимах, соответствуете: приведенным частотам вращения ротора, которые охватывают интервал изменения частоты вращения ротора силовой турбины при работе ее в системе ГТН двигателя.

Исследования показали высокую эффективность силовой турбины. Как видно из рис. 3, внутренний КПП турбины достигает максимума при значении ^/с» = 0,67 и составляет 0,9 ..максимальный эффективный К1Щ силовой турбины достигается йа ско- . ростном режиме п = 1336 при значении ^/¿о = 0,67 и состав ляет 0,78.

Сравнительные испытания серийного и турбокомпаундного дизеля 6ЧН12/Т4 проводились на моторном стенде ШЩД. В ходе проведения эксперимента конструкция дизеля и регулировка .топливной аппаратура не изменялись, в качестве турбокомпрессора применялся ТКР-11. Для объективного сравнения показателей базового и турбокомпаундного двигателей давление наддува на номинальном режиме работа устанавливалось одинаковым путем изменения проходного ^.сечения соплового аппарата турбины ТКР-11 ^ео- /&0О мм* у базового двигателя и /со* МЯОмя2- у турЗокомпаундного. На-рис. 4 представлены нагрузочные характеристики, полученные в результате экспериментальных исследований при -П-Д - 2000 мин*/ и ^ я 1600 мяв"'.

Эксперименты подтвердили, в основном, результаты расчетных исследований. Так удельный эффективный расход топлива на номинальном рзяиме работы уменьшился на. = 8 г/кВт-ч / 3,5 % /. При форсировании двигателя по иагрузко до Ж^=200хВз снижение составило 10 г/кВт-ч. Этот реашл мокно рассматривать как форсирование базового двигателя силовой турбиной. При этом, как следует из рис. 4, коэффициент кг битка воздуха умзнь*» шклея с -¿УЗ- до , а температура газов перед турби-

ной турбокомпрессора увеличилась на У" К по еравн-згаэ с базовым двигателем. Объясняется это тем, что с ростом А/- в коллея-

торе увеличивается коэффициент остаточнлх газов в цилиндре двигателя. Как и в расчетах, снижение расхода топлива за счет тур-бокомпаундирования наблюдается вплоть до нагрузки Areo.y~0,o/Ve&y При дальнейшем снижении нагрузки мощность силовой турбины оказывается'меньше мощности дополнительных насосных потерь.

Испытания двигателя на режиме максимального крутящего момента показали увеличение давления наддува с 0,19 МПа у базового двигателя до 0,205 МПа у турбокоыпаукдного /рис. 4/. При этом коэффициент избытка воздуха увеличился с 1,45 до 1,54 при установке силовой турбины, а температура газов перед турбиной турбокомпрессора уменьшилась на 47 К, Таким образом, установка высокоэффективной силовой турбины позволяет повысить при необходимости коэффициент приспособляемости двигателя. Экономия топлива на атом режиме составила 6 г/кВт-ч или-2,8 %.

В заключении отмечается, что испытания турбокомпаундного двигателя 6ЧН12/14 показали преимущества такого типа двигателей, перед двигателя;^ с традиционной системой ГГН - существенное повышение топливной экономичности, возможности увеличения коэффициента приспособляемости, снижение температуры газов в выпускном коллекторе, особенно на режиме низких частот вращения коленчатого вала, разгрузке поршневой части двигателя по мощности, что способствует улучшению показателей надежности и долговечности,

ВЫВОДЫ

1. В результате раочетно-экспериментаяьных исследований доказана целесообразность установки свловой турбины на двигателях автотракторного типа.

2. Проведена многофакторная оптимизация конструкций тур- . бины турбокомпрессора и силовой турбины в составе разработанной математической модели турбокомпаундного двигателя,

3. Создана конструкция высокоэффективной силовой турбины ТС-12.5, ; .

4. В результате раочетцо-экопериментальных исследований установлено; что исиольвование силовой турбины в системе газотурбинного наддува, двигателя 61Н12/14 позволяет повысить топливную экономичность двигателя: па рвяиме номинальной Мощности 4 ff^ • f 8 г/кВт-ч, на режиме форсирования двигателя силовой турбиной Veqy » 200 кВт = Юг/кВт-ч, на режиме максимального крутящем момента лде * $ г/кВт- ч.

5. При сохранения номинальной мощности двигателя 6ЧН12/14 / Л'еау - 184 кВт / силовая турбина вырабатывает болсо 10 % этой мощности. Это приводит к разгрузке поршневой частя двигателя, а, следовательно, к улучшении механической и тепловой напряженности цшшндро-поршневой группы, т.е. к улучшена» показателей надезноотн я долговечности двигателя.

При форсирования двигателя 6ЧН12/14 силовой турбиной до /Уеау = 200 кВт наблюдается незначительный рост тог,ше~ ратуры газов перед турбиной турбокомпрессора.

6. Отличительной особенностью установки силовой тур-Сипы на двигатель является увеличение давления наддува на поготаепных частотах вращения коленчатого вала по сравнен?» с серийным двигателем. Так на режиме максимального крутящего момента давление наддува при установке силовой турбины возрастает с 0,196 МПадо 0,205 МПа при том, что па поминальном режиме опо было равным у обоих вариантов. При атом у турбокомлаундного двигателя температура выпускных газов перед турбиной турбокомпрессора снизилась на 47 К» Следова-н тельно, турбокомпаундирование двигателя позволяет увеличить при необходимости коэффициент приспособляемости.

7-. В то время как турбина турбокомпрессора работаёт в импульсном потоке газа, давление газов перед силовой турбиной остается постоянным, т.е. силовая турбина работает как "изо» барная".

8. При работе"Двигателя- по нагрузочным характеристикам турбокомпаундирование приводит к снижению расхода топлива при нагрузках не менее 50 % от /Тесу . Для того, чтобы увеличить диапазон экономичной работы двигателя при Пу « consi необхо» димо использовать редуктор о переменным передаточным отноше» нием. ■

Основные положения диссертации изложены в работах:

1, Симеон А.Э., Петросянц В.Л., Елизева Е.В. Оптимизация турбокомпрессора и силовой турбины турбокомпаукдного двигателя. - Харьков, ХИИТ.-1993, 9 с, - Деп. в УКРИНТЗИ, j§ 461.

2, Петросянц В.А., Ефимова Л.П., Елизева Е.В, Исследование применения силовой турбины для быстроходного двигателя / В кн.: Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС, - Тез. докл. на 2— Всесоюзном научно-практическом семинаре. - Владимир, 199t.

3, Исследование систем и агрегатов двигателей типа СВД с целью повышения их технико-экономических показателей / Отчет, ХИИТ, Руководитель темы А.Э. Симеон, № ГР0190004027?. -

«Во. . .

РаочетЕна диаграмнн пасостлс ходов дизеля 6ЧН12/14 ■ за реаимя номинальной иодаостп

Р-а

/го МО

40 ',0

\

Г1|1_ N /

А 1 ч £1

— 5а—

2 V а № -- серийный двигатель

1/4 /у л/о

- - - - турбокомпаундный двигатель Рис. 1

Изменение параметров двигателя 6ЧН12/14 по нагрузочной

Аа,#&/Г)

/>;■// /3

/г ' // 0

9

Рм-.Ф*

,7д

-

- ■— —

— _ — — — ""

р-

т

/ «■»• (

-Аг \

\

\ \ •- гптттТГГ

-.■■ПШТТГ ГЙШЗШЩ |Иш!111П ПИШИ

--- --- - — — _ —\ Рму, —

20 /5 Ю

/со

¿го .чо Ш - сорийный двигатель

МО

/

О

-а*

/К", А'0,17

— - г у р б о к о м < т уздк ы й двигатель Р/с. 2

Характеристики .fa а *l*i (U/tc,ñ) ¡ ^ое ~ силовой турбины ТС - 12,5

Рмо. 3

t

а."

r—% 14 с

< î< ' C't t*-

о

И t«

S-

9

Г> Г* <r! "u ^

•i У

^

î« >- tf ^ S-j cî

g

о

M

о.

!)

i:«

п p.

о

»i

¡I

о

ë ^ к

a s ^ § ~ й

rs л ^

I -r i ..

^ ^ ^ ^ 141 ^ I 4 ^ *

«Î

«Sft