автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Совершенствование системы газовоздушного тракта тепловозных дизелей

На правах рукописи

СВЕЧНИКОВ Александр Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ГАЗОВОЗДУШНОГО ТРАКТА ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Специальность 05.22.07 - «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 НОЯ 2014

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный университет путей сообщения (СамГУПС)».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор НОСЫРЕВ Дмитрий Яковлевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

КРУЧЕК Виктор Александрович — профессор кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I (ГТГУПС)»;

кандидат технических наук, доцент

АНИСИМОВ Александр Сергеевич - доцент кафедры «Локомотивы» ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС)».

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС)».

Защита диссертации состоится «29» декабря 2014 г. в 13— часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ))» по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения и на сайте университета http://www.omgups.ru/diss/sovet/svechnikov.html

Автореферат разослан «28» октября 2014 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01.

Тел./факс: (3812) 31-13-44; e-mail: nauka@omgups.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор

О. А. Сидоров.

© Самарский гос. университет путей сообщения, 2014

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Согласно целевой программе «Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации № 877-р от 17 июня 2008 г., приоритетным направлением развития подвижного состава является повышение надежности и экономичности тягового подвижного состава, а также увеличение эксплуатационного ресурса технических средств.

Повышение экономичности, надежности и эксплуатационного ресурса тепловозов может быть достигнуто путем совершенствования воздушного фильтра и системы выпуска продуктов сгорания. Поэтому разработка методов и средств совершенствования системы газовоздушного тракта тепловозов является важной составляющей технических мероприятий, направленных на повышение эффективности эксплуатации тепловозов. Материалы, приведенные в настоящей диссертационной работе, могут найти широкое применение в системе локомотивного хозяйства ОАО «РЖД» и промышленного транспорта.

Степень разработанности проблемы. Большой вклад в исследование проблем повышения эффективности и эксплуатационной надежности тепловозных дизелей внесли специалисты ВНИИЖТа, МИИТа, ОмГУПСа, ДВГУПСа СамГУПСа и др. В частности, этим вопросам посвящены работы ученых А. И. Володина, Е. Е. Коссова, В. Н. Балабина, Е. И. Сковородникова, Ю. Е. Просвирова, Д. Я. Носырева, В. А. Кручека, А. С. Анисимова, В. А. Чет-вергова, А. Ю. Конькова и др.

Анализ эксплуатационной надежности тепловозов, выполненный по отчетной документации ОАО «РЖД», показывает, что количество отказов тепловозов по сети железных дорог по причине выхода из строя дизельной установки достигают 42 % от общего числа отказов основных узлов тепловозов, в том числе 17 % от общего числа отказов по дизелю тепловоза по причине выхода из строя элементов газовоздушного тракта. В то же время в эксплуатации находится большое количество тепловозов с неисправностями, называемыми «скрытыми» отказами, к которым можно отнести пережог топлива, низкие показатели эффективной мощности, неравномерность распределения мощности по цилиндрам. Как правило, это связано с ухудшением технического состояния турбокомпрессоров, изменением регулировки топливной аппаратуры, загрязнением газовоздушного тракта дизеля. Подобное состояние тепловозного парка

во многом обусловливается ненадлежащим качеством работы элементов газовоздушного тракта, что свидетельствует о недостаточной степени разработанности исследуемой темы. В частности, мало внимания уделяется вопросам повышения качества очистки воздуха на входе в дизель, уменьшения гидравлических потерь на воздушном фильтре, снижения отложений в газовоздушном тракте и закоксованности лопаток турбины. Некачественная очистка воздуха и повышенные гидравлические потери в газовоздушном тракте тепловоза приводят к повышенному износу деталей цилиндропоршневой группы, к снижению качества воздушного заряда и, как следствие, - к ухудшению экономических показателей тепловоза. Закоксовавшиеся лопатки турбины теряют подвижность либо заклинивают в одном положении, что приводит к снижению давления наддува, снижению КПД турбокомпрессора и, как следствие, - к снижению эффективности и эксплуатационной надежности тепловозных дизелей.

Цель диссертационной работы - совершенствование системы газовоздушного тракта для повышения эффективности работы тепловозных дизелей.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие научно-технические задачи.

1. Усовершенствовать математическую модель газодинамических процессов, протекающих в системе газовоздушного тракта тепловозных дизелей.

2. Предложить методы и средства, направленные на совершенствование системы газовоздушного тракта тепловозных дизелей.

3. Разработать методику оценки влияния продуктов сгорания тепловозных дизелей, поступающих в турбину, на эффективность работы турбокомпрессора.

4. Провести теоретические и экспериментальные исследования методов и средств, предложенных для совершенствования системы газовоздушного тракта тепловозных дизелей.

5. Предложить методологию выбора оптимальных параметров газовоздушного тракта, повышающих эффективность работы тепловозных дизелей.

Объект исследования: тепловозный дизель.

Предмет исследования: методы и средства, направленные на совершенствование системы газовоздушного тракта тепловозного дизеля.

Методы исследования. При выполнении работы использовались методы трехмерного моделирования, математического моделирования газодинамических процессов, методы математической статистики и теории вероятностей, планирования эксперимента. Построение математической модели выполнено в

современном программном комплексе SolidWorks с использованием модуля газодинамического анализа Flow Simulations. Сравнительный расчет эксплуатационных показателей тепловоза выполнен в программе Diesel-RK. При обработке результатов экспериментального исследования применялся пакет программы Microsoft Excel.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.

1. Разработана математическая модель газодинамических процессов, протекающих в системе газовоздушного тракта дизеля тепловоза, позволяющая анализировать ее характеристики в зависимости от эксплуатационных режимов работы дизеля и геометрической конфигурации газовоздушного тракта, дополнительно учитывающая влияние механизма коагуляции частиц на процесс очистки воздушной и газовой сред от загрязнителей.

2. Разработана методика оценки влияния продуктов сгорания тепловозных дизелей, поступающих в турбину, на эффективность работы турбокомпрессора, с использованием предложенного циклона-электрофильтра, в зависимости от величины напряжения коронного разряда и схемы размещения электродов при различных режимах работы дизеля.

3. Получена зависимость коэффициента коагуляции от напряжения коронного разряда, определяющая эффективность электродинамической очистки воздушной и газовой сред в дизеле тепловоза.

Положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель газодинамических процессов, протекающих в системе газовоздушного тракта дизеля тепловоза, позволяющая анализировать ее характеристики в зависимости от эксплуатационных режимов работы дизеля и геометрической конфигурации газовоздушного тракта, с учетом влияния механизма коагуляции частиц загрязнителей.

2. Метод очистки воздушного заряда тепловозных дизелей с использованием предложенного циклона-электрофильтра, позволяющий обеспечить степень очистки до 95 % и снизить удельный расход топлива на 4 %.

3. Метод очистки продуктов сгорания тепловозных дизелей с использованием предложенного циклона-электрофильтра, позволяющий на порядок снизить массовую концентрацию загрязнителей на входе в турбину и повысить

КПД турбокомпрессора на 6 %.

Достоверность научных положений и результатов диссертации подтверждена путем сопоставления результатов математического моделирования с результатами экспериментальных исследований работы циклона-

электрофильтра. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 2 %. Достоверность результатов подтверждается применением современных методов и методик исследования, сертифицированных приборов и устройств измерения, современных компьютерных, программных средств сбора и обработки данных, согласованием полученных результатов с результатами работ других исследователей.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем.

1. Разработанная математическая модель позволяет обоснованно задавать значения параметров, необходимых при проектировании систем газовоздушного тракта тепловозов, оснащенных циклонами-электрофильтрами, и сократить объем экспериментальных исследований.

2. Разработанный циклон-электрофильтр позволяет обеспечить степень очистки воздушного заряда не менее 95 %, что способствует повышению надежности и эффективности работы тепловозных дизелей.

3. Применение разработанного циклона-электрофильтра на порядок снижает массовую концентрацию загрязнителей на входе в турбину, что позволит снизить трудоемкость очистки деталей турбокомпрессора при выполнении текущего ремонта.

Реализация результатов работы. Результаты диссертации внедрены

в Куйбышевской дирекции по ремонту тягового подвижного состава -структурном подразделении Дирекции по ремонту тягового подвижного состава - филиала ОАО «РЖД» - в виде рекомендаций по использованию циклонов-электрофильтров в системе газовоздушного тракта тепловозных дизелей;

в научно-исследовательской лаборатории «ЛЭУ» кафедры «Локомотивы» Самарского государственного университета путей сообщения (СамГУПСа) в виде действующей лабораторной установки.

Личный вклад соискателя. Автору диссертационной работы принадлежат постановка научно-исследовательских задач и их решение, научные положения, выносимые на защиту, основные выводы и рекомендации диссертации, результаты математического моделирования, проектирование и создание лабораторных установок, выполнение экспериментов.

Апробация работы. Основные результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались на V международном форуме «Транспорт России» (Москва, 2011); на конкурсе инновационных проектов по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса (У.М.Н.И.К.)» (Са-

мара, 2011); на всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Образование, наука, транспорт в XXI веке: опыт, перспективы, инновации» (Оренбург, 2012); на XII всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи (Москва, 2012); на Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед» (Москва, 2012); на VIII всероссийской конференции-семинаре «Научно-техническое творчество: проблемы и перспективы» (Сызрань, 2013); на II международной научной конференции «Технические науки: традиции и инновации» (Челябинск, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе статей - 10, из них четыре - в ведущих научных изданиях из перечня ВАК Министерства образования и науки РФ, пять — в материалах всероссийских и международных конференций, одна - в зарубежном научном издании, получены три патента на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка из 117 наименований, шести приложений и содержит 127 страниц основного текста, 6 таблиц, 43 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность проводимых исследований, научная новизна и отражена практическая ценность работы.

В первой главе рассматриваются условия работы тепловозов и эксплуатационные факторы, влияющие на надежность, техническое состояние элементов газовоздушного тракта и эффективность работы дизелей. Проведен анализ существующих методов и средств, направленных на повышение эффективности работы тепловозных дизелей.

Проведенный анализ теоретических и экспериментальных исследований позволяет сделать следующие выводы.

1. Количество отказов элементов газовоздушного тракта дизелей тепловозов по сети железных дорог за период с 2009 по 2013 г. остается высоким, динамика отказов существенно не меняется.

2. К числу основных причин, ухудшающих надежность и экономичность работы дизеля в эксплуатации, относятся некачественная очистка атмосферного воздуха на входе в дизель, повышенное гидравлическое сопротивление в газо-

воздушном тракте, загрязнение газовоздушного тракта, закоксованность лопаток турбины в дизеле.

3. Существующие методы повышения эффективности работы тепловозных дизелей трудоемки в реализации и требуют значительных финансовых затрат на внедрение.

4. Некачественная очистка атмосферного воздуха на входе в дизель приводит к снижению производительности турбокомпрессора, повышенному износу деталей цилиндропоршневой группы, ухудшению качества воздушного заряда, что вызывает неустойчивую работу дизеля.

5. Вследствие загрязнения проточной части турбины происходит деформирование характеристики турбины. Наличие относительной шероховатости поверхности лопаток турбины 0,003 - 0,005 приводит к снижению КПД турбины на 6 - 8 %.

6. Анализ последних достижений в области конструирования устройств очистки воздушных и газовых сред от загрязнителей показывает, что большинство устройств сложны в изготовлении, нетехнологичны и не обеспечивают требуемой степени очистки.

С учетом перечисленного выше были поставлены цель и задачи исследования в диссертационной работе.

Вторая глава посвящена разработке математической модели газодинамических процессов, протекающих в системе газовоздушного тракта дизеля тепловоза, позволяющей анализировать ее характеристики в зависимости от эксплуатационных режимов работы дизеля и геометрической конфигурации газовоздушного тракта, а также учитывающей влияние механизма коагуляции частиц на процесс очистки воздушных и газовых сред от загрязнителей.

Оценка влияния сил, действующих на частицу, позволяет сделать вывод о том, что основными силами, действующими на частицу в электродинамическом потоке, являются центробежные силы инерции, силы электрического взаимодействия и аэродинамического сопротивления газа.

Результирующая сила.

=Fn+FK+Fa. (1)

На первом этапе математического моделирования в программном комплексе SolidWorks была построена трехмерная модель газовоздушного тракта тепловозного дизеля с циклонным очистителем. На втором этапе были определены граничные условия для твердотельной модели: расход воздуха (газа) на

входе, давление на выходе и физико-химические свойства очищаемой среды. Все расчеты выполнены применительно к условиям работы тепловоза ЧМЭЗ.

В программном комплексе SolidWorks с использованием модуля газодинамического анализа Flow Simulations был проведен расчет скоростей внутри циклонного очистителя, установленного в системе газовоздушного тракта тепловозного дизеля, и построены диаграммы распределения скоростей, давления и траекторий движения воздушного (газового) потока (рис. 1, 2).

Ступенчатая, или фракционная, эффективность центробежного уловителя рассчитывается по формуле:

12

>7пол = Ътт > 1=1

(2)

где m¡ - массовая доля частиц для диапазона размеров г;

гц - фракционная эффективность (в процентах) для размера частицы, соответствующей средней точке интервала г.

I!

Г 323.007 [ 233.215 256.563

163.253 146.666

73.364 30.652

Рис. 1. Диаграмма распределения скоростей внутри устройства

Рис. 2. Диаграмма распределения давления внутри устройства

Коагуляция частиц, находящихся в потоке газа, зависит от их размера, электрического заряда и температуры.

Основное кинетическое уравнение коагуляции имеет вид: <Лп(т, г)

dt

■ = K(n(m,t)),

(3)

где n(m,t) - непрерывный спектр масс частиц; функционал К(п(т, ¡^называется коагуляционным членом.

В программном комплексе SolidWorks с использованием модуля Flow Simulations проведен расчет степени очистки для различных размеров частиц (рис. 3).

->

Диаметр частиц

Рис. 3. Зависимость степени очистки от диаметра улавливаемых частиц

Коагуляция частиц, находящихся в потоке воздуха (газа), зависит от размера частиц и электрического заряда. Увеличение размеров частиц определяется константой коагуляции. Так как аналитическое определение константы коагуляции достаточно затруднительно, введем понятие коэффициента коагуляции. Коэффициент коагуляции /Ск - безразмерная величина, которая показывает, во сколько раз увеличится полная степень очистки за счет коагуляции частиц под действием биполярного коронного разряда. При расчете степени очистки учтем коэффициент коагуляции Кк, величина которого будет оценена эмпирически, по результатам проведения экспериментальных исследований.

Уравнение для определения полной степени очистки воздушного и газового потоков от твердых загрязнителей с учетом коэффициента коагуляции примет вид:

12 (/п

7пол Ът1Ш ■

1=1

Так как средний диапазон диаметров загрязняющих частиц в воздухе и продуктах сгорания тепловозного дизеля равен 1,5-3 мкм, то для обеспечения устройством степрни очистки 90 - 97 % коэффициент коагуляции должен быть 12

1,6 - 1,95, при 2 "1/77/ = 50 %.

1=1

7'

Атмосфера

Рис. 4. Схема газовоздушного тракта

1 - циклон-электрофильтр воздуха;

2 - компрессор; 3 - воздухоохладитель; 4 - впускной коллектор; 5 - цилиндры дизеля; 6 - выпускной коллектор; 7 - циклон-электрофильтр продуктов сгорания; 8 - турбина

В третьей главе представлены разработанные методы и средства,

направленные на совершенствование системы газовоздушного тракта тепловозов, произведен расчет основных геометрических размеров предложенного устройства, рассмотрены различные схемы подключения электродов к источнику питания.

Для повышения эффективности работы тепловозных дизелей предлагается осуществить следующее:

повышение качества очистки воздушного потока на входе в дизель от твердых загрязнителей (приводит к улучшению качества воздушного заряда, повышению производительности турбокомпрессора, что способствует экономии топлива);

ионизацию воздуха на входе в дизель (приводит к увеличению скорости горения топлива в цилиндре дизеля и, как следствие, - к уменьшению удельного расхода топлива);

очистку продуктов сгорания от загрязнителей на входе в турбину (приводит к снижению закоксованности лопаток турбины, повышению давления наддува, повышению КПД турбокомпрессора и, как следствие, - к повышению эффективности и эксплуатационной надежности тепловозных дизелей).

Схема усовершенствованного газовоздушного тракта дизеля тепловоза представлена на рис. 4. Реализацию перечисленных мероприятий предлагается осуществить с помощью электродинамического метода очистки воздушных и газовых сред от загрязнителей. Схема разработанного устройства очистки представлена

на рис. 5.

Вход газа

Рис. 5. Принципиальная схема циклона-электрофильтра

Циклон-электрофильтр состоит из конического корпуса 1 с входным патрубком 2, крышки корпуса 3, изоляторов 4, изолирующей пластины 5, корони-рующих электродов 6, выходного патрубка 7, отражателя 8, пилонов 9, бункера 10с осевым патрубком выхода шлама 11.

Применение электродинамического метода очистки воздуха на входе в дизель приводит к уменьшению концентрации твердых частиц в потоке и к ионизации воздуха. Таким образом, за счет, разработанной конструкции циклона-электрофильтра реализуется два обозначенных выше мероприятия повышения эффективности работы тепловозных дизелей. Для реализации третьего мероприятия разработано двухступенчатое устройство электродинамической очистки, адаптированное к газовоздушному тракту тепловоза ЧМЭЗ.

Все технические решения, направленные на совершенствование системы газовоздушного тракта дизеля тепловоза, защищены патентами.

В четвертой главе представлены методика оценки влияния продуктов сгорания тепловозных дизелей, поступающих в турбину, на эффективность работы турбокомпрессора, с использованием предложенного циклона-электрофильтра, и результаты апробации разработанных методов и средств совершенствования системы газовоздушного тракта дизеля тепловоза.

Разработанная методика позволяет получить зависимость степени очистки от величины напряжения коронного разряда и схемы размещения электродов при различных режимах работы дизеля.

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории «ЛЭУ» СамГУПСа. Циклон-электрофильтр использовался в газовоздушном тракте дизеля Д242. Измерение степени очистки циклона-электрофильтра осуществлялось для различных схем подключения электродов при работе дизеля на холостом ходу. Результаты измерений показаны на рис. 6.

—- униполярный "+";

- униполярный "-"; —йр*- - биполярный, а;

- биполярный, б;

- биполярный, в

Рис. 6. Зависимость степени очистки от напряжения на коронирующих электродах при работе дизеля на холостом ходу 12

80 70 60 50 40 30

] 1 '.Л/! ! 1

- 1 | ! 4 .,...!. 1------

1 ' —

1 7

*>-....... 1 ; 1

[ .

1 ! 1

кВ

Напряжение, и

Построена зависимость массовой концентрации загрязнителей от режима работы дизеля по мощности (рис. 7).

- без циклона-электрофильтра;

Режим работы дизеля

Рис. 7. Зависимость массовой концентрации загрязнителей от режимов работы дизеля по мощности Ие для различных значений напряжения на электродах и

Экспериментальные исследования показали следующее: степень очистки при биполярном коронном разряде в 1,3 - 1,5 раза выше, чем при униполярном коронном разряде; степень очистки при напряжении V = 9 кВ держится постоянной независимо от режимов работы дизеля; оптимальное количество корони-рующих электродов равно трем - четырем парам; применение циклона-электрофильтра, работающего на биполярном коронном разряде, позволяет на порядок уменьшить объемную концентрацию загрязнителей на входе в турбину.

Получена зависимость коэффициента коагуляции от напряжения на электродах (рис. 8).

-е- г Ъ 2"

Напряжение на электродах, и

Рис. 8. Зависимость коэффициента коагуляции от напряжения на электродах

Величины коэффициента коагуляции определены как среднее арифметическое коэффициентов коагуляции при работе дизеля на каждом из режимов

(х.х., о,25^е; ОЖ; Ю-

При напряжении и = 9 кВ коэффициент коагуляции Кк достигает своего пика - 1,9. Такие параметры работы циклона-электрофильтра являются оптимальными для системы газовоздушного тракта тепловоза. При указанных параметрах степень очистки, полученная экспериментально, достигает 95 %.

На рис. 9 приведено сопоставление экспериментальных и расчетных значений степени очистки с использованием разработанного циклона-электрофильтра в зависимости от режима работы дизеля Д242.

« —,

- экспериментальные значения;

- - расчетные

Режимы работы дизеля

Рис. 9. Зависимость степени очистки от режима работы дизеля по мощности (при ¡7=9 кВ), построенная по расчетным и экспериментальным данным

Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 2 %. Следовательно, можно сделать вывод об адекватности проведенного исследования работы системы газовоздушного тракта дизеля тепловоза ЧМЭЗ.

В программном комплексе выполнено моделирование работы

дизеля тепловоза ЧМЭЗ с типовой и усовершенствованной системами газовоздушного тракта. При исследовании работы дизеля тепловоза с усовершенствованной системой газовоздушного тракта в математической модели был учтен коэффициент коагуляции Кь который влияет на степень загрязненности лопаток турбины турбокомпрессора.

Результаты моделирования сведены в таблицу.

Сравнительный анализ результатов моделирования работы дизеля тепловоза ЧМЭЗ

Показатель Типовой газовоздушный тракт Усовершенствованный газовоздушный тракт

4-я поз. 6-я поз. 8-я поз. 4-я поз. 6-я поз. 8-я поз.

Мощность, кВт 364,74 631,24 868,94 372,04 643,87 886,32

Удельный расход топлива, кг/(кВтч) 0,233 0,223 0,221 0,224 0,214 0,212

Эффективный КПД 0,3643 0,39131 0,39896 0,3716 0,3991 0,40694

КПД компрессора 0,744 0,759 0,78 0,789 0,805 0,827

Внутренний КПД турбины 0,742 0,754 0,75 0,795 0,799 0,795

Для сравнения индикаторных характеристик дизеля с типовой и усовершенствованной системами газовоздушного тракта по результатам моделирования построена развернутая индикаторная диаграмма для восьмой позиции контроллера машиниста (рис. 10).

->

Угол поворота коленчатого вала

Рис. 10. Развернутая индикаторная диаграмма дизеля тепловоза ЧМЭЗ

Расчетно-экспериментальные исследования дизеля тепловоза ЧМЭЗ показали, что совершенствование системы газовоздушиого тракта циклонами-электрофильтрами приводит к увеличению эффективного КПД дизеля на 2 %, снижению удельного расхода топлива на 4 %, увеличению эффективной мощности на 2 % и КПД турбокомпрессора на 6 %.

Таким образом, применение электродинамического метода очистки воздушного потока на входе в дизель и газового потока на входе в турбину позволяет повысить эффективность работы тепловозных дизелей.

В пятой главе произведен расчет экономического эффекта от внедрения предложенных методов и средств, направленных на совершенствование системы газовоздушного тракта тепловозов. Годовой экономический эффект от внедрения разработанных устройств на один тепловоз серии ЧМЭЗ должен составить 424 тыс. р., срок окупаемости — 1,1 года. За 15 лет суммарный экономический эффект от применения предложенных устройств должен составить 2795 тыс. р.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Получена математическая модель газодинамических процессов, протекающих в системе газовоздушного тракта дизеля тепловоза, позволяющая анализировать ее характеристики в зависимости от эксплуатационных режимов работы дизеля и геометрической конфигурации газовоздушного тракта с учетом влияния механизма коагуляции частиц на процесс очистки воздушной и газовой сред от загрязнителей. Установлено, что для достижения степени очистки 90 - 97 % необходимо обеспечить коэффициент коагуляции Кк не менее 1,6-1,95.

2. Разработаны методы и средства, направленные на совершенствование системы газовоздушного тракта тепловозных дизелей и имеющие высокие технологические и экономические показатели. Повышение качества работы элементов газовоздушного тракта достигается за счет электродинамической очистки воздуха на входе в дизель и продуктов сгорания на входе в турбину с помощью циклона-электрофильтра.

3. Получена методика оценки влияния продуктов сгорания тепловозных дизелей, поступающих в турбину, на эффективность работы турбокомпрессора, с использованием предложенного циклона-электрофильтра, в зависимости от величины напряжения коронного разряда и схемы размещения электродов при различных режимах работы дизеля.

4. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что применение циклона-электрофильтра на биполярном коронном разряде позволяет уменьшить объемную концентрацию загрязнителей на входе в дизель и на входе в турбину в 10,7 раза. Степень очистки циклона-электрофильтра не зависит

от режимов работы дизеля. Совершенствование системы газовоздушного тракта приводит к увеличению эффективного КПД дизеля на 2 %, снижению удельного расхода топлива на 4 %, увеличению эффективной мощности дизеля на 2 % и КПД турбокомпрессора на 6 %.

5. Доказано, что при коэффициенте коагуляции Кк = 1,9 параметры работы циклона-электрофильтра являются оптимальными для системы газовоздушного тракта дизеля тепловоза, а степень очистки достигает 95 %.

6. Расчетный годовой экономический эффект от внедрения разработанных устройств на один тепловоз серии ЧМЭЗ составляет 424 тыс. р., срок окупаемости - 1,1 года. За 15 лет суммарный экономический эффект от применения предложенных устройств должен составить 2795 тыс. р.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Патент 106557 на полезную модель Российская Федерация МПК7 ВОЮ 45/18. Устройство для пылеулавливания / Д. Я. Носырев, А. А. Свечников (РФ). - № 2011105547/05; Заявлено 14.02.2011; Опубл. 20.07.2011. Бюл. № 20.

2. Патент 117321 на полезную модель Российская Федерация МПК В03С 3/15. Циклон-электрофильтр / Д. Я. Носырев, А. А. Свечников (РФ). - № 2011147872/05; Заявлено 24.11.2011; Опубл. 27.06.2012. Бюл. № 18.

3. Носырев Д. Я. Разработка устройства очистки отработавших газов тепловозного дизеля от твердых загрязнителей / Д. Я. Носырев, А. А. Свечников // Молодой ученый. М.: Молодой ученый. 2012. № 10. С. 67 - 69.

4. Носырев Д. Я. Сравнительный анализ эффективности использования сажеуловителя и циклона в качестве очистки отработавших газов тепловозных дизелей от сажи / Д. Я. Н о с ы р е в, А. А. С в е ч н и к о в // Транспортное образование и наука: проблемы и перспективы: Материалы всерос. науч. практ. конф. / Самарский гос. ун-т путей сообщения. Самара. 2012. С. 172 - 176.

5. Носырев Д. Я. Моделирование процесса очистки газовых выбросов тепловозных дизелей от сажи в циклоне-электрофильтре / Д. Я. Носырев, А. А. Свечников // Вестник Ростовского гос. ун-та путей сообщения / Ростовский гос. ун-т путей сообщения. Ростов-на-Дону. 2012. № 4. С. 31-36.

6. Носырев Д. Я. Экспериментальные исследования работы циклона-электрофильтра в качестве устройства очистки отработавших газов тепловоз-

ных дизелей /Д. Я. Носы рев, А. А. Свечников // Вестник транспорта Поволжья / Самарский гос. ун-т путей сообщения. Самара. 2012. № 6. С. 18 - 25.

7. Но сыр ев Д. Я. Очистка выхлопных газов дизелей в циклоне-электрофильтре, варианты схем подключения электродов / Д. Я. Но сырев, A.A. Свечников // Образование, наука, транспорт в XXI веке: опыт, перспективы, инновации: Материалы всерос. науч. практ. конф. / Самарский гос. ун-т путей сообщения; Оренбургский ин-т путей сообщения - филиал Сам-ГУПСа. Самара-Оренбург. 2012. С. 93 - 96.

8. Но сыр ев Д. Я. Совершенствование газовоздушной системы тепловозного дизеля / Д. Я. Но сыр ев, А. А. Свечников // Научно-техническое творчество: проблемы и перспективы: Сб. статей всерос. конф.-семинара / Самарский гос. техн. ун-т. Самара. 2013. С. 153 - 156.

9. Носырев Д. Я. Разработка методов и средств повышения эффективности элементов газовоздушного тракта тепловозных дизелей / Д. Я. Носырев, А. А. Свечников // Технические науки: традиции и инновации: Материалы междунар. науч. конф. / Челябинск: Два комсомольца. 2013. С. 71 - 74.

10. Носырев Д. Я. Расчетно-экспериментальные исследования газовоздушной системы тепловозного дизеля / Д. Я. Носырев, А. А. Свечников // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск. 2013. № 4. С. 30-35.

11.Nosyrev D. Y. Effect of electrodynamic cleaning of air charge on diesel locomotive engine performance / D. Y. Nosyrev, A. A. Svechnikov // Young Scientist USA. New York/ 2014. B. 5. P. 91 - 94.

12. Патент 139471 на полезную модель Российская Федерация МПК7 ВОЗС 3/00, В04С 9/00. Устройство циклонного разделения / Д. Я. Носырев, А. А. Свечников (РФ). - № 2013146719/05; Заявлено 18.10.2013; Опубл. 20.04.2014. Бюл. № 11.

13. Свечников А. А. Повышение эффективности и эксплуатационной надежности тепловозных дизелей путем совершенствования системы газовоздушного тракта / А. А. Свечников // Вестник транспорта Поволжья / Самарский гос. ун-т путей сообщения. Самара. 2014. № 4. С. 32 - 36.

Типография ОмГУПСа. 2014. Тираж 100 экз. Заказ 592. 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35