автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Совершенствование структурных и компоновочных схем энергетических установок тепловозов

ДНЕПРОПЕТРОВСКИЙ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи КОЛЕСНИК Ивам Кузьмич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ И КОМПОНОВОЧНЫХ СХЕМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ТЕПЛОВОЗОВ

05.22.07 — ПодвнжноА состав железных дорог н тяга поездов

Автореферат

диссертации на соискамие ученой стеиемч доктора технических наук

Днепропетровск — 1002

Работа выполнена в Харьковском институте инженеров железнодорожного транспор га

Научи ы и консультант

Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

— доктор технических наук, профессор Т. Ф, Кузнецов

доктор технических наук, профессор В. В. Стрекопытов

— доктор технических наук, профессор Е. Е. Коссов

доктор технических наук, профессор А. А. Босов

— Харьковский завод транс-пор! ного машиностроения им. Малышева

Защита состоится ^^ "<0)/ 1992 г. в ^ час, на заседании специи лизированнрто совета Д 114.07,01 при Днепропетровском институте инженеров железнодорожного транспорта по адресу: 320700, ГСП, Днепропетровск, ул. Академика Лазарнна 2, ауд._____.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан ,." (¿¿С/1^_

Ученый секретарь специализированного Совета

Л. В. Петрович

Г •; _'СН;1аЯ ХАРЖШВ1СТИКА РАБОТЫ

В последние годы промышленностью освоен выпуск тепловозов с высокой экономичное! ю энергетических установок на номинальном и близких к нему режимах. Однако, это не привело к существенному сншен"ю среднезксплуатационных расходов топлива и расходов на измеритель работы, что объясняется превалирующим временем работы тепловозов на низких позициях контроллера машиниста, экономичность двигателя на которых значительно нго-ле, чем на номинальном режиме. Неблагоприятный характер протекания моцностньгх и расходных характеристик энергетических установок в зоне основных режимов работы .тепловозов является одной из главных причин поьилен-ного эксплуатационного расхода топлива.

Характеристики энергетических установо: в значительной мере обусловлены совместной работой поршневой части двигателя и агрегатов наддува. Сложность согласования характеристик опрь-деляется тем, что двигатель представляет собой объемную мшлину, а агрегаты наддува - лопаточные мшини. Лри снинешш частоты вращения коленчатого вала пропускная способность псриневои чг.с'ш падает, что в свою очередь обуславливает уменьшение р; схода через турбину, снижение давления газа перед ней и резкое уменьшение ее мощности, а следовательно, частоты вращения ротора и давления наддува. Уменьшение циклового воздушного заряда цилиндра приводит к С1.и:т;нию среднего индикаторного даилемш и механического К!|Д дьпгг.теля.

Крутопадающая скоростная характеристика двигателя обусловливает не только снижение собственного эффективного К^;, и ШЩ энергетической цепи, а следовательно и тепловоза-в цело,-,:.

Одним из основных направлений кардинального улучшения топливной эффективности тепловозов является совершенствование струи турных и компоновочных схем энергетических установок за счат применения в качестве основного ил., составляющего агрегата и:: -темы воздухосьабхенпя объем: эс машин, характеристики ко'лприх хорошо согласуются с характеристиками пориневой части установки, в сочетании агрегатами повышения иппользове, ля анергии вык.! ы-ных 1'азов.

Основная цель диссертационной работы согласуется - х>:'.:-новлением Совета Министров СССР от 2 аплеля 1961 г. .'.' З^о " п

основных напраьлениях и мерах по повышению использования топ-: ливно-энергетических ресурсов в народном хозяйстве в 19ь1 -ЬЬ гг. и до 1У9и года", приказом ЫС № 4оЦ от 31 декабря 19е2 г., тема Т-о4, приказом 1-^10 № 36Ц от 30 декабря 1963 г., а. такие является частью научноисследовательских работ кафедры "Локомотивы" ХШ1Та, выполненных по договору с ¿10 "Завод им.Малыаева", 110 "Пенздизельмаш" и по. заказу ЦТ 1а 1С на 1983 - 1986 годы "Повышение экономичности дизелей за счет применения приводных нагнетателей4 в рамках межвузовской научно-технической программы "Разработка и внедрение высокоэффективных систем и узлов для перспективных тепловозов на ¿967 - 1990 гг."

Цель работы, иовьшение технико-экономических показателей тепловозов за счет совершенствования структурных и компоновочных схем энергетических установок.

Основные .задачи "сслекогания. I. (-преде, эние основных направлений совершенствования, принципов построения и исследования структурных схем энергетических установок тепловоза.

Разработка теоретических основ и методов расчетного исследования процессов в системах и агрегатах энергетической установка

о. Разработка методов, способов и средств экспериментального

исследования систем и агрегатов. 4. Качественная и кох чественная оценка эффективности силовых установок различных структурных схем 'и их агрегатов.

Методика исследований. Решение поставленной задачи осуществлялось иг. основе теоретических, расчетных, экспериментальных и рэсчетно-экспериментальных исследований.

Экспериментальные исследования проводились на специально розработаингх к созданных стендах на базе отсека двигателя Д7и, спитно-промк^ленноЯ установке на базе тепловозного дизеля йЧИ&±/26 с вспяухоснабжением от приводного винтового компрессора и уо.тройгтвс:.: имитации силовой турбины, безмоторных стендах для гсследовяния процессов тоиливопод'ачи и смесеобразования,про-теюх гер.-> в рабочих органах вкитовкх каыин и др.

Рг.тстгпе к расчотпо-экспершентальные исследования выполнялись б.ччс разработпш.ьос ме^ег.атичсскпх моделей и методов с

- б -

использованием ЭШ ЕС-1030, "Искра-Н^б и "Нейрон". В основе построения расчетных методов исследования леяшт метод математического моделирования.

Научная новизна»

1. В диссертационной работе впервые с позиций системного подхода обобщено влияние структурных схем энергетических установок и их характеристик на технико-экономические показатели магистральных и маневровых .тепловозов. Доказано, что от протекания скоростной характеристики-двигателя зависитне только его К<й на промежуточных режимах, но и Ю1Д энергетической цепи и тепловоза в целом.

2. Разработан: принципы построения и исследования характеристик энергетических установок различных струкг рных схем. новизна некоторых технических решений подтверждена авторскими свидетельствами.

3. Доказана технико-экономическая эффективность применения в качестве основного или составляющего агрегата воздухоснабжения приводного винтового компрессора в сочетании с агрегатами использования энергии выхлопных газов.

4. Уточнена математическая модель процессов в цилиндре и разработан метод, алгоритм и программа на ЭШ расчета рабочего процесса дизеля.

5. Разработаны иг.;;::.; системы топливоподачи, новизна технических решений которых подтверждена авторскими свидетельствами.

6. Уточнена математическая модель и метод расчета процессов в .системе топливоподачи. получено более точное решение системы дифференциальных уравнений, описывающих неустановившееся движение в трубопроводе высокого давления. В отличие от известных решений, в нем учтены следы от прошедших ранее волн, ь?о

адекватно отражает сущность происходяцих процессов.

- Система уравнений, описывающих процессы по концам трубопровода, представлена в интегр'чьной форме к решена относительно искомых величин, что зиашггельно ускоряет ¡гроцесс вмчиплекни и повышав'. эго точнодть.

7. Отличительной особенностью ^".зработанной математической

к метода расчета характеристик вкнтонга гчанк яб.':.-.с.°}. с;.:б-цение этой модели как на компрессорные, так л рашир'/.те.'и.. машины. Ловьшение .точности этого метода достигнут/) благе .¡.рн

большому обы.1у экспериментальных работ по уточнению коэффициентов расхода щелей и их математического обобщения в критериальной форме.

в. Все полученные в работе математические модели к методы реализованы в .виде алгоритмов и программ на языках "Фортран 1У" и "Бейсяк".

Экспериментальные исследования, выполненные на мс;елях, стендах и опытно-промышленной установке подтвердили ненежность расчетных результатов.

¿Фактическая цент „-тъ.

I. Докачена технико-экономическая эффективность применения приводного винтового компрессора для воздухоснабкения ниэконаддув-нн>: двигателей маиевроЕих тепловозов в сочетании с силовой турбиной. Для высокоиадяувных двигателей магистральных тепло-ео.чов • злесообразно применение двухступенчатых систем воздухо-сьабиешя (первая ступень - турбокомпрессор, вторая - приводной винтовой компрессор) в сочетании с силовой турбиной. Более пологое протекание скоростной характеристики энергетической установки повышает ке .только ее КцД, но и К^!; энергетической цепи'тепловоза.

Разработанные методы, алгоритмы и ¡программы расчета характеристик, систем и агрегатов позволяют существенно сократить объем, трудоемкост и стоимость исследовательских, опытнокон-структорских и экспериментальных работ при создании энергетических установок. Экономический эффект от внедрения расчетных методов нп предприятиях составил около 200 тыс.рублей.

Основные, результаты выполненных теоретических, расчетных и экспериментальных исследований изложены в виде курса лекций и методических ргчработок и ^пользуются в учебном процессе. 3. на основе выполненных исследований в тепловозной лаборатории кэ^едры "Локомотивы" ХКП'а спроектирована и создана опытно-лремьменнея установка на базе тепловозного дпитателя, испытания которой подтвердили результаты теоретических и экспериментальных исследований. -5. Ьчг.&лнишые расчетно-экспериишгсальные исследования показали, что счет ¡»рикснения приводного екнтсеого компрессора в со-чагя>!!:и с силовой турбиной энергетической установки мгдпев-

рового тепловоза на ренимах эксплуатации возрастает на Ь,^'!, а К;Щ тепловоза в целом на 9,0%. При эксплуатации в равно' значных условиях годовая экономия топлива маневровым тепловозом с опытной силовой установкой по сравнению с серийной составляет. 24 т/год, что при цене дизельного топлива 127 руб/т определит годовое снижение затрат на эксплуатацию тепловоза 3000 рублей в год. Одновременно увеличивается ресурс двигателя не менее, чем на 20$.

Новыение эксплуатационного ШЩ опытной энергетической установки магистрального тепловоза ТЭ121 по сравнению с серийной составляет 6,Ь%, а тепловоза в целом - lb,4$, что определяет годовую экономна топлива одним тепловозом 240 т/год или снижение затрат на эксплуатацию 30000 руб/год. Ресурс1^р.вигателн увеличивается не менее, чем на '¿Ь%.

Апробации работы. Основные результаты диссертационно!: работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной межвузовской и отраслевой научно-технической конференции по комбинировании.! двигателям. Коломна, февраль 1967 г.; Всесоюзной научной конференции "Рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания", Москва -1иДЦИ, февраль 1976 г.; Всесоюзной научно-технической ».л^ерсшаш "Современный уровень и пути совершенствования экономических и экологических показателей двигателей внутреннего сгорания", Луганск, июнь I9d3 Координационном Совете меч вузовской научно-технической про:• I "Разработать и внедрить высоксс^аективнио системы и узлы д., . лерспективных тепловозов, на 1У67 - 19Jj гг", Луганск, июнь 19о7 г.; научно-методический комиссии УУЗа ¡.i.iC, г. Харьков, май 1969 г.; на пТС UX, декабрь 199и г.; научно-технических Советах iiO "Завод имени Малышева", "Пенздизельмаш", iiii!l "Турбокомпрессор" г. К; зань, полтавском турбо^механическом .?анод>., а также на научно-технических конференциях ХИйТа с участием специалистов Харьковских заводов и Южной ж.д.

^публикации. Но результатам выполненных исследовании опубликовано в печати 22 работы, ..илучено 1Ь авторских сниметельсти.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из вводсни',сс.мп глав,заключения,списка'использованных источт-ов. t'or.nii об с, работы страниц, в.том числе страниц'машшопио.-.огс i-зк•.■'••-, /4-2 рисунков, iS таблиц, 28 страниц лит' lavypn пс t. чпо:. использованных источников 2.9^ наименор'-иий.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, поставлена задача и цель исследования, показа ш актуальность и новизна темы, сформулированы основные направления решения проблемы.

Первая_глава содержит анализ проблем и путей совершенствования эксплуатационных характеристик тепловозов.

. Топливно-энергетическая эффективность работы тепловозов определяется в основном характеристиками энергетических установок и режимами работы локомотивов, которые в свою очередь зависят от условий эксплуатации.

Обобщение обширных исследований работы тепловозов в эксплуатации, выполненных А.И. Володиным, Г.А. Фофановым, H.A. Фуфрян-ским, А.Э. Симеоном, .1.3. Хомичем, А.П. Кудряшом, H.H. Корневым, Э.А. Пахомовым, Г.Ф. Болховитиновым, A.C. Нестраховым, Т.Ф. Кузнецовым ч собственные исследования автора позволяют сделать вывод, что режимы работы грузовых локомотивов в значительной мере зависят от массы поезда. Если для полновесных грузовых поездов коэффициент использования мощности локомотива = 0,7 - 0,8,

преимущественная позиция контроллера.II - 13, а относительное время работы на последней позиции составляет 8 - 12%, то при ведении легковесных поездов коэффициент Kutn снижается до 0,36 -0,55, преимущестьенной становится 7-8 позиция контроллера, а на полную мощность двигатель практически не выходит. Общим для грузовых локомотивов является значительное время работы на холостом ходу - около 40 - 45$ при полновесных и до 60% при порожних составах, работа на позиции не превышает 2-3 минут, значительное количество перепючений рукоятки контроллера, достигающее 30 и более в час, обуславливает работу энергетической установки только на переходных и неустановившихся режимах.

В несколько более выгодных условиях осуществляется работа пассажирских локомотивов, в то время как маневровые недоиспользуются еще более, чем грузовые. Использование мощности энергетической установки не превышает в среднем 1/3 номинальной, определяющими являются 2-4 позиции контроллера, время работы на полной мощности не превышает 2-3% общего времени работы. Сбросы-

набросы нагрузки достигают 70, а количество манипуляций рукояткой контроллера свыше 300 в час, что обусловливает значительную долю работы двигателя на переходных режимах.

Превалирующее время работы на низких позициях контроллера машиниста не только приводит к ухудшению эксплуатационного КПД энергетической установки, но и в еще большей мере КПД тепловоза. Последнее связано с тем, что с уменьшением мощности двигателя падает и КЦЦ энергетической цепи тепловоза. Для тепловоза ТУШ в диапазоне режимов ХУ - УШ позиций контроллера эффективный КПД двигателя находится в пределах 0,4-0,35, КВД энергетической цепи 0,772 - 0,725, а тепловоза - 0,31-0,26, то на Ы позиции КЦЦ двигателя - 0,35, энергетической цепи 0,55, а тепловоза 0,19. Таким образом, с уменьшением позиций контроллера КЦЦ энергетической цепи снижается более интенсивно, чем .ДД двигателя, что в значительной мере и определяет ухудшение. КЦЦ тепловоза. Учитывая, что в настоящее время прослеживается явная тенденция к смещению основных режимов в сторону более низких позиций контроллера машиниста, указанное обстоятельство приобретает чрезвычайное значение.

При электрической передаче мощности на форму скоростной характеристики двигателя не накладывается особых требований,, что' даст возможность выбирать ее исходя из условия наибольшей экономичности, надежности и долговечности силовой установки. Однако возможность практической реализации этого условия жестко ограничена характеристикой воздухоснабжения двигателя. Крутопадающая характеристика автономного турбокомпрессора обуславливает- такую же форму скоростной характеристики двигателя, на гки-_ мах которой не обеспечиваются оптимальные значения среднего индикаторного давления, К'эффициента избытка воздуха, инцикаторно-го и механического КЦЦ.

Наиболее эффективным способом, позволяющим существенно улучшить эксплуатационные показатели энергетических установок, является совершенствование их систем воздухоснабжения. Исследования М.Г. Круглова, А.Э. Симеона, Д.А. Дехсвича, В.И..Крутова. А.Г. Рь;-бальченко, A.J. Эпштейна, Е.Е.'Коссова, В.Д. Сахаревича, А.Б. Касьянова, В.И. Толщина, Г.Н. Ми ернюка, Н.К. Шокотова, В.Г. Дъячо'* ко, З.С. Маца показали, что основными мероп-чятиями по odepien-ствованию систем воздухоснабжения являются следующие: импульсный турбонаддув, регулирование турбин и компрессоров, д:ухступен!а-

тые системы наддува, комбинированные системы, повышение КПД агрегата наддува, улучшение аэродинамических качеств впускного и выпускного трактов и др. Разработка и внедрение таких мероприятий позволило существенно улучшить характеристики тепловозных силовых установок, однако дальнейшие возможности их весьма ограниченны. '

Одним из эффективных путей улучшения экономичности теплосиловых установок является повышение использования энергии выхлопных газов. Работы в этом направлении были проведе:.ы в ХПИ в конце 50-х - начале 60-х годов под руководством Н.М. Глаголева. В 70-е годы ^работы были продолжены Н.К. Шокотовым совместно с ПО "Завод им. Малышева" и завершились созданием проекта дизель-турбинной установки. Большие возможности в повышении КОД комбинированных двигателей за счет использования энергии выхлопных газов были доказаны исследованиями М.Г. Махонько, Д.Л. Дехови-чем, за рубежом - Куг^.р Кханом и др.

Инт лсивные исследования по совершенствованиюсистем возду-хоснабжения и использования энергии выхлопных газов проводятся целым рядом научно-исследовательских и производственных организаций: ЦНВДИ; МВТУ, МИИТом, ВНИИЖТом, ВЗШТом, ХПИ, ХШТом, ПО ■ "3-д им. Малышева", ПО "Коломенский э-д", ПО "Пенздизельмаш" и

др.

Анализ известных и собственные исследования автора показали, что дальнейшее кардинальное улучшение характеристик возду-хоснабжения может быгь достигнуто путем применения в качестве основного или составляющего агрегата воздухоснабжения приводного винтового компрессора. Винтовые машины, при сравнимых КВД, габаритах, надежности и долговечности, выгодно отличаются от мадшн аэродинамического типа пропорциональным изменением производительности от частоты воащения, отсутствием помпажных зон. При совместно!, работе с поршневой частью энергетической установки давление наддува с уменьшением частоты вращения коленчатого вала изменяется незначительно, что позволяет получать почти постоянный массовый заряд цилиндра, а следовательно, и среднее индикаторное давление, что в своп очередь обеспечивает более пологое протекание скоростных- характеристик двигателя, повышает его эффективный КГЩ и КЦЦ энергетической цепи тепловоза.

В этой главе приведены методики определения эксплуатационных КПД энергетической цепи и.оценки теплотехнических качеств

иловой установки, выполнен анализ влияния характеристик, температур теплоносителей, технического состояния на экономичность .вигателя в эксплуатации, рассмотрены способы и средства совер-:енствования и методы расчетного исследования процессов и агре-атов энергетической установки.

Во второй главе изложены основы теории, принципы построения : исследования структурных схем энергетических установок.

В полной мере экономичность работы локомотива в эксплуатации уцениваете I удельным расходом топлива отнесенным к касательной ющности

Мы ^ ^л/£

где - удельный эффективный расход топлива и

эффективная мощность двигателя;

затраты ыоцности на собственные нужды локомотива и потери в передаче мощности;

- время работы на полиции контроллер . машиниста

¿- - позиция контроллера машиниста.

Ухудшение эксы младости тепловоза на промежуточных позиции: сонтроллера маий<;т-?:1 объясняется не только снижением энергетической устак-. шл, ¡¡о и (¡ормеч ее ыощностной характеристики. 3езкое падение мощности с понижением частоты враценчг вала лр.1— зодит к увеличению отношения лА/ггм > что в значл--

гельной мере определяет характер изменения !и!Д локомотива. 11остоянный удельный расход топлива тепловозом на всех

лах его работы достигается в том случае, если

/ .

е/и! ДЯгн + А Рлм _+ Рнг*

№ - Р*ц){Ъ ~Риех - д Р„-ДР„„) р?

. Я-Рнеж' \ __/ I

"Ч' Р/ ) с/иГ # с/аг 1

те р. - среднее индикаторное давление;

р - среднее г.пзлекие мехйиичс-^ких ::_.с-рь поршневой чьсси знергетическсЛ \.-^ное

- средние эффективные давления, эквивалентные затратам мощности на собственные нужды локомотива и потери в передаче мощности; ■

- индикаторный КцД дизеля;

ц) . - частота вращения коленчатого вала: Расчетные и экспериментальные исследования выражения (2) показывают, что постоянный удельный расход топлива локомотивом на всех скоростных режимах достигается при условии его работы по характеристике близкой к -conit.

Давление наддува двигателя определяется в этом случае зависимостью

. Р/

¿а с/со V. ^ /

и тагче должно сохраняться близким к-неизменному по всей скоро-стно'; характеристике.

Так. л образом, создание энергетической установки с оптимальными характеристиками по расходу топлива сводится по существу к оснащению се системой воздухоснабяения, способной, поддержи-нать близкое к постоянному давление наддува на Есех скоростных рслшэх ее работы.

иктималы.ому эффективному К.& силовой установки на всех ':кг,рс'стнь:х режимах соответствует условие

(3)

Этому условию соответствует давление нлцгува

(Л)ш ~ +-Ртв / 31» ГдП / доС*

V Pi-Prl-Pm+Ъ* Ъ 9G п ЭР, оС* б>%,

Pif Ца - средние давления соответственно нк.пикатсрно!

механических потерь, насосных потерь, силовой турбины;

4V- коэффициент кяполнения цилиндра; Ti - температура воздуха перед клапанами; ¿¿ц - коэффициент изБЫтцо ВозрШа

Оптимальная степень расширения газов в турбине определяет-соотношением

J£?k.zBzl-n

■Л* - ° (5)

Этому условию соответствует степень расширения газов

{Ъ-Чр -Яг ~дяу)'8

RT, ¿ц Lc __ / дР* . Кг Р* дСЪЪр') (6) .8ГТ, fr Э-Гт Xr-t d&r .

Соотношение (6) связывает оптимальную степень расширения

за в турбине с давлением наддува .

При наличии приводного компрессора относительное изменение Активного КПД силовой установки

£ А & $ % W ^ * ^ Ч (7)

При повышении давления наддува рост эффективного КГЩ дви-теля постепенно замедляется и при определенном значении раз-сти

/опт

О-р/Рт., /) -Л / & ТГ » ~ » Г /)

(8)

фективный КПД достигает максимума и с дальнейшим повышением $ уменьшается.

Относительное увеличение коэффиг знта избытка воздуха в [линдре оказывает благоприятное влияние на повышение эффективно КПД (7) и снижение температуры выхлопных газов, но и умень-.ет среднее индикаторное давление. Влияние его на разность ^ -Рп< ) проявляется только через температуру в: .слопных газов !). Расчетные исследования показали, что при полном исполь^о-1нии энергии выхлопных газов, изменение коэффициента избытка >здуха в цилиндре в пределах 1,9 -.2,2 оказывает слабое влня-

ние на эффективный КПД. .

В полной мере выполнить условия (4) и (6) в-пределах рабе чей характеристики двигателя весьма затруднительно. Приближен! они выполняются в комбинированном двигателе с использованием i качестве агрегатов воздухоснабжения и использования энергии bi лопных газов объемных машин, например винтовых компрессионных расширительных машин.

Совместная работа агрегатов в этом случае определяется с< отношениями:

р .

Г* (Ни + tyU Zu г^п ;

= » avAt-z ' (9)

L* о,ог>тц- % / = Zff/> (/^ + %p)Lp 2,Р 4 л.

где Се/ CSf - производительность приводного винтового компрессо] Срм. расход воздуха через двигатель и винтовую расширительную машину;

HjtefffnT коэффициенты подачи винтового компрессора и расши] тельной машины; fixuKtj - площади поперечных сечений впадин ведущего и ведо! го роторов компрессора и расширительной машины; - длина винтов компрессора и расширительной машины; ¿г ~ число зубьев ведущих роторов компрессора и расшир! тельной машины; 'А,^ - объем и число цилиндров двигателя; 1/> - передачное число редуктора; Л - частота вращения коленчатого вала; % ,Тт - давление и температура газа перед расширительной машиной. : Решая уравнения (9) совместно, получим

'о

_ Я* + ¿х В/* D Гг 1.

т /Г ———— ——

v*z 'О (Ю)

^ тс »

а их отнопения к номинальному режиму Г

р "7» - 15 -

р ' (П)

' Рг*

Тг# % лиц %/у,

Из соотношений (II) следует, что давление наддува и противодавление на выхлопе прямо не зависят от скоростного режима двигателя и в относительно небольших тфеделах изменяются только в функции коэффициентов наполнения цилиндра ^ , коэффициентов подач компрессора и расширительной машины , а также

температур газов и .

Приращение среднего эффективного давления на всех скоростных режимах работы двигателя за счет использования энергии выхлопных газов

гд- средние эффективные давления двигателя, эквивалентные мощности компрессора и расширительной машины; ^¿к, ^ ~ степени повышения давления в компрессоре и расширения газов в расширительной машине;

- КОД компрессора и расширительной машины; индекс "Н" соответствует номинальному режиму двигателя.

Из соотношения (12) следует, что в комбинированном двигателе с винтовыми компрессионными и расширительными машинами приращение среднего эффективного давления за счет использования энергии выхлопных газов не имеет прямой зависимости от частоты вращения коленчатого вала и в небольших пределах изменяется только в функции коэффициентов подач и КЦД машин, коэффициента наполнения цилиндров и температуры газов. Это позволяет создать энергетическую установку с близким - оптимальному механическому КПД на всех скоростных режимах.

Особые преимущества такая структурная схема приобретаем при создания ^ак называемых."адиабатных" двигателей. Иссл^лпеч-ния ведутся как в нашей'стране, так и за рубеж к.

Применение в качестве расширительной машины газовой ^у^.би-ны несколько снижает эффективность энергетической установки.

Степень расширения газов в турбине определяется зависит с-¡г

(13)

Относительный расход газа через турбину при воздухоснабже-нии от приводного винтового компрессора

т.е. степень расширения газа в турбине находится в прямой зависимости от частоты вращения коленчатого вала. С понижением ее степень использования энергии выхлопных газов уменьшается. Устранение -этого недостатка может быть достигнуто применением турбин с регулируемым сопловым аппаратом. Однако до настоящего времени практического решения такой задачи не найдено.

Частичное решение задачи повышения использования энергии газов дог игается применением двух переключаемых турбин. На номинальном и близких к нему режимах турбины включены параллельно, при частоте вращения коленчатого вала = 0,66 /¿.м , одна из турбин отключается с помощью специального газового переключателя, а при белее .низких частотах турбины подключаются последовательно.

При высоких давлениях наддува рационально применение двухступенчатых систем всздухоснабжения, первой ступенью которых является центробежный компрессор, а второй - приводной бинтовой компрессор. Особенностью таких систем является возможность получения. близких к оптимальным давлений наддува не только на номинальном режиме, но и на режимах минимальной частоты вращения коленчатого вала.

Степень повышения давления в винтовом компрессоре на режим минимальной ча'тотн вращения вала

_ + -А рхг

Г? — А /■£> —

где (^с)Спт~ оптимальное давление наддува при минимальной частот вращения коленчатого вала; /а Я? дй/ - потери давления в фильтре, охладителях воздуха перв

У У Л/4

■■ п и Егоисй ступени.

л !.а

На номинальном режима

в Т*н fa

1ZT ^Г Ъ/* • (I6)

Степень повышения давления в центробежном компрессоре определяется из условия получения заданного давления наддува на режиме номинальной мощности двигателя

Дальнейшее улучшение экономичности и повышение мощности достигается применением структурных схем энергетических, установок с разделенным выпуском и продувочным компрессором.

На основании теоретических и экспериментальных исследований разработан метод математического моделирования характеристик силовых установок, составлены алгоритмы и программы для ЭВМ, исследована адекватность и точность метода. В главе приведены результаты расчетного исследования характеристик энергетических установок различных структурных схем. Анализ этих характеристик показывает реальную возможность создания энергетических установок с удельным расходом топлива в основном диапазоне режимов на уровне 190 - 195 г/кВт-ч.

- §_1Е§1ьей_главе приведены основы теории и уточненный метод математического моделирования рабочего процесса энергетической установки.

В разработанной модели теплообмен газа со стенками рабочего пространства цилиндра производится с предварительным определением усредненных температур стенок на.заданном режиме раб ты двигателя, причем температуры поверхности гильзы принимаются переменными по ее длине; „гечки газа через неплотности поршневых колец рассчитываются с учетом динамики изменения давления и температуры газа в полостях между поршневыми кольцами; учитывается не только изменение.массы газов в цилиндре, но и их химического состава и термодинамических свойств; расч т динамики тепловыделения производится с учетом характеристики топливоподи-чи, распространения факела, испарения капель v> сгорания паров топлива, термодинамики и газод..ламики факела; температура в выпускном ресивере определяется как среднеинТ' тральная зь. полныП цикл двигателя.

!

Процессы на тактах сжатия, сгорания и расширения газов в 1 цилиндре описываются системой уравнений

Г ЛЩ? с/Ом _ ^О-че/т _ с, £ ~ .¿Р ¿<р </р ■

а'Гц, / г с/От ¿/¿Зу с/а^ с/Орие п ¿у« „-г </с,

с/У ~ е¥тч1- ¿У ~ ¿г ~ ¿р су<Р V/

. с/в* _ /V т \л Г '

¿Г'"« ¿р '

Л/71ц _ . "

' "Ту е/р ,

^^-.Гр . - Р у) ^ .

¿у ¿у

г =

/пч •

На участке газообмена первое и шестое уравнения системы (18) приобретают вид

Утечки газа из цилиндра через неплотности поршневых колец носят неустановившийся характер и описываются системой уравнений, которая для 2- -ой полости между кольцами имеет вид

If - -MbtW);

Массовые расходы газа через цели Mfy; и /"^//определяются по формулам истечения. Значения эффективных проходных сечений щелей зависят от качества изготовления колец и гильзы, а в эксплуатации и от их технического состояния, и определяются экспериментально.

Несмотря на большое количество работ, посвященных разработке, методов расчета внешнего теплообмена в цилиндре, до сих пор не существует достаточно точного и надежного метода определения потерь тепла в стенки цилиндро-поршневой rpyi.ju. Наибольшую сложность при решении этой задачи представляет определение температур стенок. Рассматривая теплопередачу от газа к охлаждающей жидкости с учетом теплопроводности материала стенки, для крышки цилиндра получим усредненное по площади и по времени значение температуры внутренней ^поверхности крышки

Аналогичное выражение получено и для внутренней поверхности поршня.

В связи с тем, что омывание поверхности гильзы по ее длине зависит от положения поршня, разобъем ее, например, на 7 учас:-ков. В этом случае для нулевого участка, ограниченного"поле...ени-ем поршня в ВМГ получим уравнение, аналогичное (21). Для первого участка гильзы, ограниченного положением поршня при повороте коленчатого вала на 30°, получим

/<- r.lj'f'+fzr,ldf+ ¿.а;- т;,}((.'„ ¿v,

JOS ,,7. Г y y

Аналогичные уравнения получаются и .для остальных 5-гч ;-4-i:t-ков. С учетом тепловодности материала гильзь. уточненное зна'.": температур участков гильзы будут иметь в д:

• , - 20 -ТТЛ = Т ЛглГТгзо- Тгд<)__ ,

у 3 Г ^ -1

Ч аР '

аналогично получаются уточненные зависимости температур для остальных участков.

Количество тепла, передаваемого от газа в стенки гильзы на нулевом ее участке:

на первом участке: ,

Я» - (25)

аналогично для остальных 4-х участков.

Суммарное количество тепла, отданное в стенки гильзы за полный цикл

вп = йпо + + вгм + вгщ+Япб .

Общее количество тепла, отведенное от газа к стенкам рабочей полости цилиндра

Представленная математическая модель рабочего процесса энергетической установки реализована в виде программы для получения характеристик двигателя в рабочем диапазоне режимов на ЭВМ "Искра-226". Характеристики тепловыделения, механических потерь, турбины и компрессора задавались на основании экспериментальных дачных. Решен! : систем дифференциальных уравнений пр изводилось методом Рунге-Кутта с последующим итерационным уточн нисм начальных данных.

Анализ результатов моделирования характеристик двигателя 31:70 показал, что расхождение рассчетных и экспериментальных ха рчктеркстик в этом случае не превышает 1,5$, а ошибка в определении доли тепла, потерянной в систему охлаждения не превышает

ах.

Четвертая,глава посвящена уточнению основ теории и методов асчета процесса впрыска, разработка и исследованию новых сис-ем топливоподачи.

Несмотря на большое количество работ по теории и методам асчета гтоцесса, математическое моделирование впрыска топлива цилиндр дизеля остается весьма трудоемкой задачей, а получае-ые результаты не всегда обладают требуемой достоверностью. Особы современной гидродинамической теории впрыска базируются на аботах Н.Е. Жуковского по гидравлическому удару и разработаны рудами И.В. Астахова, Т.Ф. Кузнецова, Ю.Я. Фомина, А.И. Исаева, ,Н„ Файнлейба, Б.П. Пугачева, A.C. Хачияна, В.И. Трусова и др. основе различит предложенных методов, лежит подход к способу ешения дифференциальных уравнений, описывающи: неустановившее-я-движение реальней жидкости в трубопроводе, а также уравнений раничных условий по его концам. Нелинейная система дифференци-яьных уравнений движения жидкости может быть решена только приниженными методами. Численные методы ее решения обладают более асокой точностью, но и повышенной трудоемкостью, и могут приме-яться только при наличии больших быстродействующих ЭВМ. Прибли-енное аналитическое решение этой системы уравнений, впервые римененное И.В. Астаховым, а затем уточнявшееся Т.Ф. Кузнецо-ым и другими исследователями, менее трудоемко, но недостаточно цекватно отражает процессы.

Полученное нами решение системы учитывает на только зату-ание волн при их движении по трубопроводу, но'и оставшийся лед после прошедших ранее.в.олн и может быть представлено в об-ем случае в следующем вида:

р'R* Iм91'м' - 4M* - irJJ -

^Cct - fr*. ^

На основа уравнения массового баланса топлива в надплун-ирной полости, получим для угла поворота вала v ФЛ'Р

f 6/1 p JU A 'fr (28)

Представляя интеграл на участке

виде конечных разностей и разрешая (28) относительно давления в надплун-жерной полости, будем иметь

V сУ)

- - /Кшс - Ащ< + P»J;

для давления в полости штуцера '

* °(зо)

для давления в полости форсунки перед иглой

Pr - -^rrJCPfo-^) ^ -+m¿í -

- ¿fL + ¡ (3I)

для давления в полости форсунки перед, распиливающими отверстие

р. - -г—у [Сер' + /л* -/л* -Ap¡ * a^v

* * о 7 ' <32)

Уравнения (29) - (32) решаются совместно с уравнениями (! и уравнениями движениями клупана и иглы.

Приближенное аналитическое решение уравнений неустановив! гося движения жидкости в трубопроводе значительно упрощает ра чет, а. представление уравнений граничных условий в интегральн форме позволяет избежать накопления ошибки интегрирования.

На основе приведенных теоретических разработок составлен алгоритмы и программы расчета характеристик впрыска на ЭВМ. Р шение систем уравнений на шаге производилось методом итераци Шаг расчета принимался переменным. Для уточнения начальных ус ловий производился повторный расчет.

Сравнения расчетных и экспериментальных характеристик вп ка показали, что принятая математическая модель адекватно отр ет реальные процессы, а получаемая ошибка не превышает 4-5%.

Базируясь на тех же теоретических предпосылках разработа обратный метод расчета. Если в прямом методе предполагаются и

вестными все геометрические параметры системы топлиаоп~дачи, а рассчитываются характеристики впрыска, то в обратных методах !ставится противоположная задача. В такой постановке наибольший интерес представляет задача определения закономерности ,г ижения плунжера топливного насоса, обеспечивавшего заданную характеристику впрыска. В работе изложены основы метода, правомерность и целесообразность такой постановки задачи.

Для.систем топливоподачи типа насос-форсунка и с очень коротким трубопроводом вполне допустимо применение статических методов расчета, т.е. методов, в которых не учитывается процесс движения жидкости в трубопроводе. В работе приведены основы этого метода, показаны границ его применимости.

Применение приводных винтовых компрессоров для воздухоснаб-жения энергетических установок позволяет существенно поднять среднее индикаторное давление на частичных режимах работы.и, тем самым, повысить механический КПД двигателя. Одновременно с этим повышаются и требования к индикаторному КПД, который в значительной мере зависит от характеристик впрыска. Резкое падение давления распыла с понижением частоты вращения вала является основным недостатком гидромеханических систем топливоподачи. Су- . щественные трудности в организации топливоподачи возникают и при создании высокофорсированнкл двигателей с большой цилиндровой мощностью.

Одним из путей решения этих задач является применение двух-контурных систем топливоподачи; В работе приведены результаты разработки и создания таких систем применительно к двигателю ЧН32/32. Объединение в одном агрегате двух топливных насосов и двух форсунок явилось эфч-активным решением задачи. По сравнению с одноконтурными двухконтурные системы топливоподачи обладают следующими преимуществами:

- большие цикловые подачи реализуются практически без увеличения механической напряженности деталей топливной аппаратуры;

- на режимах холостого хода и малых нагрузок впрыск топлива осуществляется одним контуром, что позволяет повысить стабильность и равномерность подач по цилиндрам, улучшить смесеобразование за счет повышения давления впрыска;

- повышение устойчивости подач допускает снижение минимальной частота вращения вала до 0,2 - 0,25 Т1Н ;

- за счет сдвижки углов опережения впрыска первого и второго кон-

туров расширяется возможность формирования заданной характеристики впрыска как с точки зрения экономичности, так и динамических показателей цикла;

- наличие двух независимых ярусов распиливающих отверстий позволяет более рационально использовать объем камеры .сгорания .для

| улучшения смесеобразования; - ,

- независимость топливоподающих контуров друг от друга даст возможность использования двух различных сортов топлива.

Новизна принятых технических решений при создании двухкон-турных систем подтверждена тремя авторскими свидетельствами. Испытания таких систем были выполнены на одноцилиндровом отсеке двигателя ЧН 32/32 в лаборатории ПО "Пенздизельмаш". Результаты испытаний подтвердили основные расчетно-теоретические положения.

Фундаментальное решение проблем топливоподачи при работе двигателя в широком диапазоне частот вращения вала и цикловых подач достигается применением аккумуляторных систем. Предложенная нами конструкция такой системы, на которую получено авторское свидетельство, отличается от известных тем, что распределение топлива от насоса высокого давления по цилиндрам осуществляемся с помощью специального золотникового распределителя. Вращательное движение золотник получает от коленчатого вала и через специальные проточки и отвестия соединяет по очереди форсунки с гидроаккумулятором, I то время как регулирование цикловой подачи осуществляется вертикальным перемещением золотника с помощью тяги регулятг1а. Система относительно проста по конструкции, надежна в работе.

Проработана также конструкция насос-форсунки с гидроприводом, приоритет которой защищен авторским свидетельством. Применение такой системы позволяет снизить давление рабочей жидкости в гидроаккумуляторе в соотношении квадратов диаметров поршня гидропривода и плужера насоса, что .позволяет повысить надежность системы топливоподачи.

Испытания аккумуляторных систем на двигателе показал",'что при подборе на каждом скоростном режиме оптиу льного давления впрыска удается сохранить высокие значения индикаторного КОД на этих режимах, обеспечить устойчивую и экономичную работу двигателя при пониженных частотах вращения коленчатого вала. __

051§3_Г£§2£ посвящена рассмотрению вопросов теории и раз-

работке обобщенного метода расчета характеристик винтовых малин.

Винтовые машины обладают" обратимостью, т.е. могут работать как в компрессорном режиме (ВКМ), так и в расширительном (ВРМ). • Поэтому, в работе поставлена задача разработки обобщенной математической модели процессов, происходящих как в ВКМ, так и в ВРМ. Разработанный метод расчета характеристик винтовых машин учитывает влияние на рабочий процесс основных геометрических, термодинамических и гидравлических факторов и параметров.

Рабочие процессы в полостях винтовых машин в общем случав описываются системой дифференциальных уравнений, составленных на основе первого-закона термодинамики, уравнений состояния и массового баланса, теорий истечения газа через щели и теплообмена:

¿Н - -^{/Ъ^ъ+ЯПс/пь - ъ с/гъ);

'-Л//',/ А/ ¿у С57)

с/Щ = - ¿с/М^ ;

¿<3*1 --с// (ъ- Тгп) % ¿Г,

где Суг1, V- теплоемкость, энтальпия и внутренняя энергия газа;

Р и 7* - давление и температура газа в полости;

/71 - масса газа;

I/ - объем полости; /¿р и & - проходное сечение и скорость газа в щели;

и Тег - площадь и температура внутренней поверхности стенки полости;

О. - количество тепла, отдаваемое в стенки полости;

§ - плотность газа в полости; индекс I - номер рассматриваемой полости, ^ - номер полости, из которой или в которую происходит истечение газа.

Достоверность расчетшх характеристик в значительной мере зависит от точности определения коэффициентов проходных сочений

возлей между рабочими органами. Обширные экспериментальные исследования различных форм щелей позволили предложить обобщенную зависимость коэффициентов расхода от основных факторов в сл виде: • /

Л в ____1_ г , ' , - (58)

где Мс- коэй>ициенты, учитывающие влияние отношения давлений ' до и после щели!" характер сужения щели; - коэффициенты, учитывающие состояние поверхности стенок, образующих щель, форму и-геометрические размеры щели.

На основании экспериментальных данных были.получены зависимости/^ и значения коэффициентов ^ и для основных типов щелей и разработана методика расчета расхода газа через щели винтовой машины, отличающаяся от известных меньшей трудоемкостью и более высокой точностью.

Точность расчета теплообмена между газом и поверхностями рабочих органов в значительной мере определяется достоверностью определения температур этих поверхностей и коэффициентов теплопередачи. Совместное рассмотрение закономерностей теплообмена между газом и стенками, теплопередачи через стенки и теплообмена мажду наружными поверхностями и охлаждающей жидкостью позволило получить следующие зависимости:

для температуры внутренней поверхности стенки корпуса

Т* У + Г / Л , / 7. А-«?)

для температуры наружной поверхности ротора

Г Г-'-Г.+<*)

где /ц и ¡м- температуры воды, охлаждающей корпус, и масла, охлаждающего ротор; ^ и - тепловые потоки через корпус и ротор; Л* и /?с ~ коэффициенты теплопроводности стенок корпуся и ротора;

с^м и оСм - коэффициенты теплоотдачи;

внутренние и наружные 'диаметры корпуса и роторов; ¿р - длина роторов. Для коэффициентов теплоотдачи получены зависимости в крите-

риальной форме.

На основе теоретических положений разработаны алгоритм и 1 программа расчета на ЭВМ рабочего процесса роторных машин. Исходными данными к расчету являются геометрические и конструктивные особенности винтовых машин, режим работы по частоте вращения и степени повышения давления, физические данные рабочего тела и охлаждающей жидкости.

^Особенностью винтового компрессора является то, что при повороте ведущего ротора на угол 90° рассматриваемая /* -тая полость займет положение впереди идущей ( / + 1)-оЯ и т.д. Поэтому расчет ведется одновременно всех парных полостей от 0 до 90°, в одних из которых происходит процесс всасывания, в других - сжатие или нагнетание. Интегрирование системы дифференциальных уравнений осуществляется методом Рунге-Кутты с, итерационным уточнением начальных условий. В результате расчета определяются индикаторные характеристики машины.

Коэ^+ициект подачи

= - г Мг ^ ^ ^ ^

/7ст

индикаторная работа, мощность и КПД

ЛЬ.МфсЬ; , &

где /71т - теоретическая производительность компрессора или пропускная способность расширительной машины;

Мпт- масса рабочего тела, протекающего в окно нагнетания при повороте ведущего ротора на угол 90°; ¿-Рт*^!) - длина, число зубьев и частота вращения ведущего ротора;

и р^ - площадь сечения, перпендикулярного оси ротора, соответственно между зубьями ведущего и ведомого роторов; $ - плотность газа перед рабочими органами; 1цс иiC0- индикаторные работы всасывания и сматия-нагнетания.

Для получения эффективных показателей винтовых машин получены эмпирические 'зависимости для механичемкого КПД машины и мул ьт и пг кат ора.

Программа реализована на языке Фортран-!.1/ и Бейсик. Рлпчет-

нче' и экспериментальные исследования подтвердили хорошую достоверность получаемых результатов. Для использования в математической модели энергетической установки методом планирования эксперимента получены статистические характеристики винтовых машин. ' , -

приведены- результаты расчетно-эксперимен-тального исследования энергетических установок различных структурных схем.

Для проведения указанных исследований в тепловозной лаборатории ХШТа были разработаны и созданы экспериментальная установка на базе отсека двигателя Д70 и опытно-промышленная установка на базе тепловозного двигателя 8ЧН26/26 с воздухоснабжением от приводного винтового компрессора и имитацией силовой турбины двухступенчатым дросселем. Нагрукение двигателей осуществлялось электрическими генераторами с отдачей энергии на реостат. Установки оборудовались комплектом контроль-измерительной аппаратуры и устройствами регистрации параметров рабочего процесса, систем топливоподачи, ёоздухоснабжения и использования энергии выхлопных газов.

Выполненный анализ структурных схем энергетических установок показал, что для маневровых тепловозов рационально применение двигателя с воздухоснабжением от приводного винтового компрессора. Для ¡спользования энергии выхлопных газов применяется л:ловая турбина, нагруженная высокоскоростным электрогенератором с ог '.ачей энергии на тяговые электродвигатели.

Выбор винтового компрессора осуществлялся из условия, чтобы его рабочая характеристика совпадала с зоной наиболее высоких ЮЩ на универсальной характеристике. В работе приведены результаты расчетно-экспериментального исследования характеристик двигателя, исследовано влияние геометрической степени сжатия компрессора, коэффициента избытка воздуха в цилиндре, давления наддува и противодавления на выхлопе на экономические характеристики энергетической установки. На рис. I приведено сравнение характеристик двигателя 17ПДГ-2 при работе с турбс омпрессором и при воздухоснабжении от приводного винтового компрессора и силовой турбиной. Улучшение экономичности двигателя достигается в основном за счет -повышения механического КПД и, частично, за счет

V- <Э Ci

. f "э Q

^ «I "3 к

vrI г-н

улучшения индикаторного. Наибольшее уменьшение удельного расхода топлива наблюдается в диапазоне мощностей (0,5 - О.Э/Л'е

Нем и составляет 12 г/кВт-ч.

В таблице I приведено сравнение показателей тепловоза ТЭМ2М с серийной и опытной энергетическими установками при работе в условиях станционной горки. Работа в режиме тяги составляла 48,6% общего времени, коэффициент использования мощности двигателя 0,39, эксплуатационный КЦЦ серийного двигателя 17ДЦГ-2 -- 0,37, что соответствует удельному расходу топлива 229 г/кВт-ч. При работе в тех же условиях КПД опытной установки составил 0,39, удельный расход топлива 217 г/кВт-ч. Абсолютное улучшение экономичности опытной установки по сравнению с серийной - .12 г/кВт-ч, относительное 5,25». При использовании опытной установки возрастает не только КПД самой установки, но и КПД энергетической цепи тепловоза. Эксплуатационный КПД тепловоза с опытной энергетической установкой 0,2В, что соответствует удельному расходу топлива 303 грамма на кВт-ч касательной мощности, с серийной установкой соответственно 0,255 и 332 г/кВт-ч. Абсолютное повышение экономичности - 29 г/кВт-ч касательной мощности, относительное увеличение КПД тепловоза - 9,8%.

При эксплуатации в равнозначных условиях годовая экономия' топлива маневровым тепловозом с опытной силовой установкой составляет 24 т/год что при цене дизельного топлива 127 руб/т опреде-г. : годовое снижение затрат на эксплуатацию тепловоза 3000 рублей в год. Р-ализация тех ка мощностей при меньших частотах вращения вала увеличивает ресурс двигателя не менее, чем на 20%.

Для высокофорсированных двигателей магистральных тепловозов целесообразным является применение двухступенчатых систем возду-хоенабжения. На рис. 2 приведены характеристики серийного двигателя 2-5Д49 тепловоза Т3121 и энергетической установки на базе этого же двигателя, но с двухступенчатой системой воздухоснабже-ния, первой ступенью которой является турбокомпрессор, а второй -приходной винтовой компрессор, с дополнительным использованием энергии выхлопных газов в силовой турбине, В /^апазоне режимов (0,9 - 0,3)Д4ном улучшение экономичности опытного двигателя по' сравнению с серийным составляет 18 - 25 г/кВт-ч.

Расчеты среднеэксплуатациошого КДД показали, что при работе в режиме тяги 61,5% общего времени с коэ&Ьипиентом использования

¿¿сшило* 'лешшяиоа жълш-гц ^ ^С^лшпил П ШШ'ШиЛ Э Не^Л'СА'И"*

ческими установками

Пока-т.тели Установка Позиции контроллера машиниста Примечание

0 I 2 3 4 5 6 7 8

Частота вращения вала, п 'Умчи сер. 350 350 350 380 430 520 625 710 800 Распределение времени работы тепловоза на позиции контроллера принят по ОПЫТНЫ!.! данным при работе локомотива на горке ■

опытн. 250 250 250 250 275 420 540 650' 800

ЗЬбоктивиая мощйость энергетической установки, Л/мвт 0 48 107 173 265 397 577 728 882

К1!Д энергетической установки, 1в сер. 0,31 0,357 0,376 0,39 Р,398 0,4 0,407 0,4

опытн. 0,3 0,Г 0,33 0,394 Ь,417 0,43 0,432 0,416 0,725

КПД энергетической цепи, сер". 0,39 0,56 0,646 0,697 0,726 0,74 0,73

огчтн. 0,46 0,66 0,684 0,721 0,729 0,744 0,736 0,725

КПД тепловоза, ¿гл сер. ' 0,12 0,2 0,243 0,272 0,289 0,296 0,297 0,29

опытн. 0,14 0,24 0,26 0,284 0,308 0,32 0,318 0,30

Относительное время работы ка позиции контроллера, 2е 51,4 1,2 4,94 4,94 9,48 22 3,44 1.4 1,2

Коэффициент использования мощности энерг.установки в р9.гл.:е тяги, 1(и% 0,39

Средиеэкспл.КЦД энергетической установки, сен. 0,37 (<9ео = 229 г/(кВт.ч)

опытн. 0,33 = 217 гДкВт.ч)

Сиеднеэксплуатационный КПД тепловоза, сео. 0.255 = 332 г/(кЗт.ч)

опытн. 0Г28 (5та = 303 гДкЗт.ч)

"ткоептельное попкшикяе Г0ПЛ03032., 9,в55

мощности U,Lió, К11Д опытного двигателя -'оставил 0,393, что соответствует удельному расходу топлива 210 г/кВт/ч, в то врем,1? как серийного - ü,3u9 и 23о г/кВт-ч. Абсолютное улучшение экономичности опытного двигателя по сравнению с серийным состаь..лет 20 г/ кЬт-ч, относительное -

С учетом повыаения K.i/j, энергетической цепи, эксплуатационный тепловоза с серийным двигателем составил 0,26, с опытным 0,30, что соответствует удельны.! затратам топлива на единицу касательной мощности 320 и 2Ó2 г/кВт-ч. Относительное увеличение Ki|U тепловоза с опытной установкой по сравнению с серийной 1Ь,4%, что определяет годовую экономию топлива одним тепловозом 24и т/год. Увеличение ресурса, двигателя составляет.не менее

OCHüBiluE РЕЗУЛЬТАТА И ШВОДц

В диссертации поставлена и регаена научно-техническая проблема повышения производительности и экономичности тепловозов путем создания энергетических установок с улучшенными скоростными характерлстика1/.и.

Экономичность тепловоза в эксплуатации зависит не только от К1Д двигателя, но и от формы его скоростной характеристики. Теоретическими.и экспериментальными исследованиями доказано, что оптимальная характеристика энергетической установки достигается в случае ее работы при близких к постоянным средних индикаторных давлениям на всех скоростных режимах. При электрической передаче moi¡Hv сти на форму скоростной характеристики не накладывается особых ограничений и ее вид зависит в основном от системы всзду-хоснабжения. »ipi свободном турбонаддуве' резкое, снижение давления воздуха на входе в двигатель с.понижением частоты вращения вала обуслар;. .вает его крутопадаюцую скоростную характеристику.

Существенное улучшение характеристик тепловозных энергетических установок достигается применением в качестве основного или составляющего агрегата системы воздухоснабжения приводного вилтсеу -го компрессора.

Винтовые компрессорные мамины имеют положительные отличия от лопаточных и прежде всего в том, что производительность их почти пропорциональна частоте враисния роторов при сохранении высоких ¡качений lúy'i , не имеют помпажных зон. Глбприш, надежность и долговечность зтих машин сравнимы с лолаточнкмн. Х/'рчк-

теристика винтового компрессора, как объемной машины хорошо согласуется с поршневой частью, что позволяет существенно изменить характеристику воз,пухоснабженик силовой установки. Значительный интерес к применению отих машин в качестве агрегатов воздухоснаб-мания■в настоящее время наблюдается за рубежом.

В диссертации разработаны научные основы совершенствования структурных и компоновочных схем энергетических установок тепловозов с применением приводного винтового компрессора, полученные теоретические и практические положения реализованы, при проектировании ноьых тепловозных двигателей'.

В работе получены следующие основные результаты:

1, Разработаны принципы построения структурных схем энергетических установок, лозволивиие систематизировать накопленный опыт в данной области и наметить перспективы создания высокоэкономичных тепловозных двигателей с улучшенными характеристиками .

2, Цредломено и исследовано шестнадцать вариантов структурных схс-м энергетических установок, новизна технических решений некоторых из них подтверждена авторскими свидетельствами на изобретения.

Наиболее перспективны!.« являются следующие:

- схелы с винтивши ксмлрессорныли и расширительными машинами;

- схемы с • «¡тови.; компрессором и силовой турбиной;

- схемы с двухступенчатыми системами воздухоснабкения, первой ступенью которых является турбокомпрессор, а второй -приводной винтовый коыпроссор с использованием избыточной энергии выхлопных газов в силовой турбине.

3, В предложенных конструкциях энергетических установок нг.груже-:-:ие силовой турбилы осуществляется шсокооб«ротпш электрогенератором, что значительно упрощает техническое решение задачи. Рг<ссг.стреио несколько г.;\риактов компоновочных схем с силовой 'хурбгной.

-1. перечисленные вше структурные схемы энергетических установок представляют собой сложные технические системы и исследования их возможно только методами математического моделирования. В работе даны теоретические основы, разработаны математические модели, алгоритмы и пакет программ для ЭВ;.;, позволяющих получать скоростные характеристики всех конструктивы1/ схе:.' двига-

елей. Выполненные обширные расчетные исследования показали, что силовых установках с применением винтового компрессора и'сило-ой турбины имеется ■■ реальная возможность повышения э(У.актив-ого КЦД по сравнению с существующий двигателя!,нт на номинальной ежиме до на рекше П - 0,7 - до ±'1%, на режиме /I = 0,о -о Более пологий спад характеристики среднего индикаторного авления позволяет получать те же значения мощности, что и у л.пп-ателя со свободным турбокомпрессором, но при частоте вращения ала на 1Ь0 - 200 об/мин. нтке. Если принять, что ресурс двлгате-я зависит от наработки рабочих циклов, то указанное обстоятель-тво должно оказать положительное влияние на срок службы силовой становки между ремонтами, применение указанных структурных схек вигателей позволяет сохранить постоянные высокие значени-т коо'гп--иентов и ."битка воздуха в цнлкндро в рабочем диапазоне ротиков, то оказывает благоприятное влияние на протекшие переходных ре-имов, позволяет снизить дымноегь выхлопных газов.

Ь. аовьиение среднего индикаторного давления в цилинп.ро на ромежуточных режимах работы и стремление к дальнейшее увсличе-и.ю экономичности и надежности работы требует решения ряда новых роблем в области рабочего процесса энергетической установки. ;Ь • ешения этих проблем необхгцшы более совершенные расчетные мете ы.

Вь-чолненнке теоретические и экспериментальные исследования озволили разработать более точны:' метод математического модели--ования процессов э цилиндре. исновные отличия этого метода от эвестних заключаются в следугкцш: в математическом описа* ми процессов в цилиндре учитывается ыч только изменение массы газон, но и их химического госч'чпч и терпо:чшг:шчэских свр'я'Т»;

р^сче.- теплообмена га^ов со стс.гкаыи рабочего просгрпнства ни лкнлра производите;, с предварительным определением устгеднвны-; теппрр ггур стенок ли :<пданном ре кино работы дт?игятел!:, яриче." течиерагури гильзы приникаетсл переиеннмми по ее длпьо; уточки газа из лилшшрч чероя неплотностл пориметк колеи ряс-очимт.чптоя с уч; ~о?,: лпкямики изменения д,чнлен;м и темифатурм га.>а » полостях мс.ху поршневыми кольцами; "егпература газа ц инчуокном ресивере'определяется ка?' ерчднг 15и^гртлымя за полыми цикл двигателя.

I с-уч'злиля ь'лггу} рпччотз рабочего процгопл .'•"нгпто.гн-с.'.г

ществлена ь гиде алгоритмов и программ на-языках "уортраи-1У" и "Бейсик". Выполненные расчетные исследования подтвердили адекватность и высокую точность метода.

о. Обеспечение высокого качества рабочего процесса в цилин яре неразрывно связано с решением проблем смесеобразования, качество которого в значительной мере определяется системами топ-ливоподачп.

Известные-недостатки получивших широкое распространение гидромеханических систем тоиливоподачи в значительной мере устраняются с поког.ьм разряботаьных нами двухконтурных и аккумуляторных систем, новизна технических решений которых подтвержде на авторскими свидетельствами.•

7. Совершенствование существующих и создание новых систем тоиливоподачи не могут быть осуществлены без надежных и точных методов расчета процесса впрыска.

На основании теоретических и экспериментальных исследовал! получено более точное решение системы дифференциальных уравнен! олисываь.лк неустановившиеся процессы ь турбонроводе высокого давления. Б отличие от известных релений, в нем учтены следы от ifpoj,eriiiix ранее волн, что более ацекв«чтно отражает сущность «р< исходящих процессов.

Система уравнений, описывающих процессы по концам трубопрс иода, продет, влена в интегральной форме и решена относительно лскиьых величин, что значительно ускоряет процесс вычислений и нивита ? его точность.

Ьцполненныи теоретические исследования позволили раарабо-VHVb пряной и обратный, методы расчета процесса ьнриска, динами-чс <?к»н" и статический.

Реализация ¡..етодов осуществлена и виде п-.кетя программ на >i.-!K'Kti>; "woprpan-iy" и "Бейсик". Ясслод.) ранил показали хорошее гс в!;о; ение расче*" шх и экспериментальыя результатов.

Ь. Реплизация общзй модели рабочего процесса двиг-агеля .:родпольгяс5Т наличие характеристик пгрогатов наддува. ^»a?iKO, ..дпк дл:т получения характеристик турбоксыпр -сора могут бить попользованы имеющиеся методы расчета, то для винтоьих малшн 'такие метопы ргч'рлботанн недостаточно,

отличительной особенностью раарпбидоьноА нами натллнтачес кой новели и метода расчета винтовых малин является ос'оп; .еиие: ;>той модели как hi. компрессной ¡v, я u i; г-'^'-фи¡-от-г1:»; ; . и г

Это нышало необходимость выполнения больного объема экспериментальных работ по уточнении коэффициентов расхода целей и ;ix математического обобщения, математического описания ргхлтрс-зов теплообмена от газа к стенкам полости и от стенок к охля>:'~ ;вющей жидкости.

процессы в полости описываются системой ди^-.геренциплььнх сравнений на основе первого :>ркона термодинамики д;г' р-чк'чего "ела переменной массы, закона сохранопн!; н->сен, тс;7ло::ерод»'-|< \ геометрических соотноасни!'. Члслекноо релснке систигн урувьа-1ий осуществляется методов Гунгс-Нуттн с последуй ;ю: уточнение»; ¡ачальных условий. ^стод моделнровпнил процессов в полости реа-шзован в виде алгоритма на языке *\2ортран-1У". на основянин меленных экспериментов строится статистическая модель хирак-'еристик винтовых машин методом планирования экспериментов. Исследования показали удовлетворительное совпадение расчетные экспериментальных характеристик.

У. Экспериментальные исслея ¡влння о-'гективьоеп» пр-зг.л.г сикх структурных схем энергетических уотккорок осуичзстрллляоь п.; пеш1ально разработанных и созданных в лаборатории XÜ'Vi'n ткг«»«г становке и", бя:?е отсека двигателя <; flc3j<yxc«w6yej•№: от рнводного винтового копире -.'ора и on;irro-tipoiа«лед¡ноЯ л бепе те.члово.-.'ного дзиттеля o'Li'Aj/^j с aooryxoctnfveiwm er pu водного винтового компрессора и устройством имитации оглоро:'!

¡'рбУНЧ.

¡.репедоннно ксслслопчккг. ¡.окрлглн, что nun:'..емле PK»».«'»»»'«-50HH0;i г'"'"ок?нииостп теплори-ок с илн^пм с-нсргетическг-;;! ус-шорк'гги ю '•par>Hfi;i:vj с 'ерийинги доста зется "л учет:

1. Ьолее высоком рконогичности оггтпой уст-'ьовкч »s« ?'t<nt-тт; 1 ri ! с" I i кх ри».;з х ;

аор(ь.еш;я K.J, онгрготичелкоК nenn тенлс?о:>н вслодсгйи'? ;~ее '»лагопрздтьой урруктерчетик« опытной уйганорк»*;

•i. Увеличен!«." по городу г сг? сглопой ycW4:33Rii s т»:«ул1>Т'«'. с •лу»сп:" '»jtj'lihcis г,1 при ЛОИ1Г«сьиоя wmï 'ото нрчле!:'!".' 1"'-

шчг'л.ч'с вдл-ч.

ск' »иуатпцасии '* hiiT сныгьоВ экергогическоЯ yc.viboB1?:: • ч-ü>pt;bo; о тег.лочо.»« в'^-е cepiifiiof. на я to-w.of»:-.* » иьчгч

У,^■ "ля ^гистрчлм'л.п'о тепловезо геотротгггегно v& 'V '■■'

, i оловел okühc-wu; : очлит однп! м-чневрог-л i геллого-"<д; г<~ -

тавляет т/год, магистральным - 24U т/год. Прогнозируемое увеличение ресурса двигателя маневрового тепловоза составляет не менее £(/,'{» магистрального -

Хи. Использование при проектировании энергетических установок предложенных методов и программ для ЭЫ.1 позволяет значительно сократить стоимость и сроки сознании и доеодки двигателе!

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО • В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Кузнецов Т.Ф., Колесник И.К., Василенко Г.Л. Теория и метод расчета на ЭВМ процесса впрыска вязкого сжимаемого топлива в цилиндр дизеля// Республ. межведом.научно-технический сборник "Двигатели внутреннего сгорания". - Харьков: ХГУ, 1968. -Вып. V. - С. 105-117.

2. Колесник И.К., Скурихин И.Л. Исследование работы отсека двигателя ЧН25/27 по характеристике Г- =ceaet // Тр.БИИЖТа. - Гомель, 1977. - Вып. 155. - С. 30-34.

3. Колесник И.К., Тарасов A.M. Применение винтовых компрессоров для наддува тепловозных дизелей.// Тр. БИШТа.-Гомель, 1977,-Вып. 156. - С. 36-40. .

4. Колесник И.К. Анализ структурных схем тепловозных энергетических установок// Меквуз. со. науч. трудов. - Гомель, 1981.-С. 38-.47.

5. Колесник И.К. Анализ работы топливной аппаратуры тепловозных дизелей и рекомендации по ее совершенствованию/ ХИЙТ. - Харьков, 1932. - 15с. - Деп. в ЦНИИ ТЭМ МПС № 1839 30.08.82. Указатель ВИНИТИ. - 1982. - № 7. - С. 70.

о. Колесник И.К. Результаты экспериментального исследования опыт ной . лпливной аппаратуры тепловозного дизеля ЧН32/32 /ХИИТ. -Харьков, 1982. - 12с. - Деп. в ЦНИИ ТЭЙ МПС № 1845 30.08.82. Указатель ВИНИТИ. - 1982.. - № 7. - с.71.

7. Колесник И.К. Разработка и испытание опытной форсунки для пер спективного тепловозного дизеля/ ХИИТ. - Харьков, 1982, -13с. - Деп. в ЦНИИТЭИ МПС' № 1844 30.08.82. Указатель ВИНИТИ.-1982. - № 7. - С.70.

8. Колесник И.К. Организация рационального процесса смесеобразования и cropani • для тепловозного дизеля большой цилиндровой мощности// Межвуз. сб. науч. статей. - Гомель, 1984. С. 35-42

У. Колесник П.К. Выбор и обоснование систем топливопоцачн перспективного тепловозного дизеля/ ХИИТ. - Харьков, I98i . - 15с Деп. в ЦНИИТЭИ МПС № 1843 30.08.82. Указаа ль ВИНИТИ. - 1982. № 7. - С.70.

Г0, Колесник И.К. Выбор конструктивного исполнения соплового аппа рата форсунки опытного тепловозного цизеля/ ХИИТ. - Харьков, 1985. - 8с. - Деп. в ЦНИИТЭИ МПС. № 2867 23.05.85. Указатель .ВИНИТИ. - 1985. - № I. - С.116.

1. Колесник U.K. Совершенствование процесса топливополачи при снижении частоты вращения вала тепловозного дизеля/ ХИИТ. -Харьков, 1У85. - 10с. - Деп. в ЦНИИТЭИ МПС № 2868 28.03.85. Указатель ВИНИТИ. - 1985. - № I, реф. IB85-85.

2. Колесник И.К. Программа обработки индикаторных диаграмм/ХИИ'Г.

.. - Харьков, 1985. - 40с. - Принято РФЛП УССР в программный фонд за инв. № П6298 13.12.85.

3. Колесник U.K. Совершенствование конструктивных схем тепловозных силовых установок// Межвуз. сб. науч. трудов. - Харьков,

14. Колесник И.К. Уточненный метод расчета характеристик винтовых компрессоров, применяемых для воздухоснабжения тепловозных дизелей// Межвуз. сб. науч. трудов. - Днепропетровск, 1987. - С. 8-13. .

15. Колесник И.К. Моделирование характеристик винтового компрессора как подсистемы тепловозной силовой установки// Межвуз. со. "науч. трудов. - Днепропетровск, 1987. - С. 13-18.

16. Колесник И.К. Повышение технико-экономических показателей тепловозных силовых установок путём совершенствования конструктивных схем// Межвуз. сб. научн. трудов. - Гомель, 1987.

17. Колесник И.К. Совершенствование характеристик тепловозных энергетических установок путем применения приводного турбокомпрессора// Межвуз. сб. науч. статей. - Гомель, 1969. -

18. Колесник И.К. Исследование внутренних протечек винтового компрессора/ ХИИТ. - Харь ов, 1У89. - 12 с. Леп. в ЦНПИГЗИ МПС

№ 4912 30.01.90, Указатель ВИНИТИ. - 1989. - № II. - С.112.

19. Колесник И.К., Калабухин Ю.Е. Алгоритм и программа расчета рабочего процесса винтового компрессора на ЭВь',/ ХИИТ. - Харьков, 1989. - 30 с. Деп. в ЦНИИТЭИ МПС № 4913 30.01.90. Указатель ВИНИТИ. - 1989. - № II. - С Л13.

20. Колесник И.К., Калабухин Ю.Е. Математическая модель рабочего процесса винтового компрессора, применяемого для воздухоснабжения силовой устансзки тепловозов/ ХИИТ. - Харьков, 1989. -35 с. Леп. в ЦНИИТЭИ ШС № 4914 30.01.90. Указатель ВИНИТИ.-1989. - № II. - С. ИЗ.

21. Колесник И.К. Методика расчета расхода газа через зазоры винтового компрессора/ХИШ. - Харьков, 1989. - 25с. Леп. в ЦНИИГЭИ МПС № 4915 30.01.90. Указатель ВИНИТИ. - 1969. - № П. - С.113.

22. Колесник И.К. Уточненная математическая модель рабочего процесса тепловозной энергетической установки// Межвуз. сб. науч. статей. - Днепропетровск, 1990. - С.П-18.

Материалы диссертации изложены также в 15 научно-исследовательских отчетах, представленных заводам и депонированных в

ЦНИИТЭИ мне.

Предложенные в работе технические решения защищены авторскими свидетельствами:

1. A.c. 926345 (СССР). Форсунка для впрыска топлива в дизель/ Колесник И.К,. ФедорецВ.А., Скурихин И.Л., Алексеев B.I . -Б.И. № 17, I$ä2 г.

2. A.c. 1052682 (СССР). Гидравлический привод клапанов/ Колесник И.К., Агулов А.Ф. Б.й. №41, 1983 г.

3. A.c. 1032202 (СССР). Устройство для ограничения максимального

давления сгорания в ЛВС/ Колесник U.K., Алексеев В.Г., Нико-лица A.M. Б.й. № 28, 1983 г.

4. A.c. 893614 (СССР). Устройство для определения избыточного скольжения колесных пар транспортного средства/ Тарасов"A.M., Гайдуков В.Е., Колесник U.K., Цебро ВХ Б.И. № 48, 1981 г.

б. A.c. 865675 (СССР). Устройство для обнаружения боксования транспортного средства/ Тарасов A.M., Гай дуков В.Е., Цебро В.М Колесник И.К. Б.И. № 35, 1981 г.

6. A.c. 818926 (СССР). Датчик боксования/ Тарасов A.M., Гайдуков Б.Е., Колесник О., Цебро В.И. Б.И. № 13, 1981 г.

7. A.c. 973905 (СССР). Насос-форсунка для дизеля/ Колесник И.К., Алексеев В.Г., Скурихин И.Л. Б.И. №42, I9d2 г.

d. A.c. ÜI0535 (СССР). Индикатор предельного скольжения/ Тарасов A.M., Гайдуков В.Е., Колесник И.К., Цебро В.И. Б.И. f 9, 1981 г.

9. A.c. 8I26I4 (СССР). Устройство цля зашиты от коксования/ Тарасов A.M., Гайдуков В.Е., Цебро В.И., Колесник И.К., Б.И. № 10, 1981 г!

¡0. A.c. 1152304 (СССР). Форсунка/Колесник И.К., ФедорецВ.А., Алексеев В.Г., Скурихин И.Л. Не подлежит опубликованию в открытой печати.

11. A.c.. 07573 (СССР). Двигатель внутреннего сгорания с наддувом / Колесник И.К., Алексеев В.Г. Б.Й. № 28, 1986 г.

12. A.c. 1373844 (СССР). Устройство воздухоснабжения ЛВС/ Колесник U.K., Агулов А.Ф.;- Калабухин O.E. Б.И. № 6, I98Ü г.

13. A.c. 1449680 (СССР). Силовая установка/ Колесник И.К., Агулов А.Ф., Калабухин Ю.Е. Б.И. № I, 1989 г.

14. А.с, 15-16485 (СССР). Устройство для наддува ДВС/ Колесник И.К. Агулов А.Ф., Калабухин Ю;Е. Б.И. № 9, 1990 г.