автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Создание самоочищающихся воздушных фильтров тепловозов



На правах рукописи

Гладков Кирилл Владимирович

СОЗДАНИЕ САМООЧИЩАЮЩИХСЯ ВОЗДУШНЫХ ФИЛЬТРОВ ТЕПЛОВОЗОВ

05.22;07,- Подвижкой состав железных дорог и, тяга поездоз

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических каух

Москва - 1993

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Коссов Евгений Евгениевич

Научный консультант:. ' доктор технических наук

Гребенюк Петр Тимофеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Минаев Борис Николаевич, кандидат технических наук Постников Игорь Владимирович

Ведущая организация: Департамент локомотивного хозяйства

МПС РФ

Зашита диссертации состоится " 1998 ' г.

з --/3> час. на заседании Диссертационного совета Д114.01.02 при Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта по адресу: 129851, г. Москва, 3-я йпвднская уц.; дДО.

Автореферат разослан " '2.4 " 1998 г.

С даосертаида шкю ознакомься в &йилё;е института.

Отзывы на автореферат в двух заемплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес Диссертационного совета.

Ученый секретарь Диссертационного совета,, доктор технических каук

П.Т. Гребенюк

Общая характеристика работы

Актуальность работа.

Агрегаты тепловоза является крупными потребителями воздуха, необходимого как для охлаждения электрических машин и аппаратсз, так и для рабочего процесса в дизельном двигателе.

Вместе с воздухом в агрегаты проникают частицы пыли, снега, влаги, сажи, оказывая на них негативное воздействие. Поэтому необходимыми яеляются эффективные устройства для очистки воздуха, поступающего з тепловоз.

Сузествунцие устройства для очистки воздуха в тепловозах имеют существенные недостатки: низкую эффективность, недолговечность, ухудшение характеристик во время эксплуатации, а также необходимость их- обслуживания и замены' масла. В случае применения сетчатых фильтров сетки быстро забизаются грязью, а на тепловозах 7 3170 и 73180 стоят пенополиуретановые фильтры, которые являются пожароопасными.

Поэтому важной задачей является разработка эффективных и жонсмичных самоочищающихся пылеулавливающих аппаратов. Одной из основных разновидностей таких аппаратов являются инерционные воздухоочистители, которые могут применяться для двигателей внутреннего сгорания, тяговых зтектродвигателей, в вентиляторных и компрессорных установках и других технических устройствах.

Цель работы

Целью диссертационной работы является исследование и разработка инерционного самоочищающегося воздушного фильтра тепловоза.

■'./■' 4 . л ,

Для достижения указанной цели в диссертации поставлены следующие задачи:

..- 'провести анализ существующих устройств очистки воздуха,

I

поступающего в дизель и электрические машины и . аппараты, а также фильтрующих устройств, используемых в промышленности;

- провести математическое моделирование выданных для иссле-. дования устройств для их сравнительной оценки и определения характеристик; -V" •;'

- выполнить жспериментальные исследования опытного образца ыультициклонного фильтра для проверки результатов моделирования и совершенствования конструкции; '

- определить область применения разработанного мультициклон-ного фильтра с учетом,полученных характеристик. , -

: Объект и методика исследования"

Чисхенные исследования проводились путем моделирования процессов с применением ЗЗМ.

Экспериментальные исследования характеристик проводились на опытных моделях, циклонного элемента и мультициклонного блока на испытательных стендах ВНИИЖТ на ст. Щербинка.

Научная новизна

- проведено математическое моделирование работы нового фильтра с учетом особенностей его конструкции, а также условий эсс-глуатащи на жлезнодсрсянсы'тягсвсы псдоянсы составе;

- выбраны оптимальные характеристики фильтра для совместной работы с потребителями воздуха тепловоза.

Практическая ценность и реализация результатов исследований

Данное исследование выполнено с учётом применения разработанной конструкции для замены фильтров на существующих и внедрения на перспективных локомотивах (тепловозы, электровозы и пр.), а также в промышленности.

Разработана новая конструкция самоочищающегося тепловозного фильтра, позволяющая улучшить характеристики фильтрования воздуха, отказаться от частого обслуживания фильтров во'время жсплуатации<

ВНЮТГом разработаны технические требования к мультициклон-кым'самоочищавшимся фильтрам тягового подвижного состава.

С учетом результатов выполненных исследований ЗЕИИЖТом и ПО *КТЗ" разработан проект модернизации тепловозов Т3170, путем установки мультициклонных фильтров. ' ВНИМТом разрабатывается также проект замены серийных фильтров централизованного воздухо-снабжения тепловозов Г3170 в условиях депо. Общества! с ограниченной ответственностью (ООО) *БМЗ-тепловоз" совместно с ВЬЖЖТом зе-дутся работа по проекту тепловоза с асинхронными тяговыми двигателями и мультшкклонкыми фильтрами. Зги фильтры будут также устанавливаться на перспективном подвижней составе.

Апробация работы

Основные результаты работы доложены на Еаучно-техгеяескои совете отделения Тепловозов ВЕКШ, Рсххихко-Польсксм семинаре молодых ученых в области железкедережюто тгаяшерта (ВИКЕТ, 1997г.)

Публикация

По теь:е диссертационной рабаы опубликовано 4 научных статьи.

Структура и объем работа

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и

списка использованных источников.

>

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность теш диссертационной работы, определены цель и основные задачи исследований.

В первой главе проведен обзор и анализ существующих конструкций устройств очистки воздуха, применяемых на локомотизах и в промышленности, оценены характеристики, указаны достоинства и недостатки, проведена классификация воздршх фильтров по разшьы трепакам.

Анализ устройств показал, что наибольшее применение на железнодорожном транспорте нашли маслопленочные и сетчатые кассетные фильтры, в то время, как в промышленности широко распространены' различные инерционные фильтры, в частности, протизоточные и прямоточные циклона. Однако все зги устройства имеют невысокую эффективность или требуют частого обслуживания.

В соответствии с современными требованиями, предъявляемыми к воздушным фшьтрам локсаготивов, ВНИИЖГда ведутся работы по созданию новых высоко эффективных воздухоочистителей. Значительный вклад сделан такими учеными, как Е.Е.Коссов, В.К.Клевакин, Н.Н.Каменев, А.А.Семисаженова и другие.

Наиболее полно указанным требованиям удовлетворяют прямоточные мрьтициклонные фильтры.

Во второй главе проведен анализ исследований, связанных с циклонными процессами и инерционной сепарацией частиц. Отмечен -:клад таких авторов, как C.B. Карпов, Э.Н. Сабуров, А.Н. Шшм, М.А. Гсшьда.тик, Г.Н. Абрамович,

Г.М. Барахтенхо, И.Е. Идельчик и другие. Во ВНИИЖГе исследованием газодинамических процессов в пневматических системах подзютого состава занимг-лись Е.Т. Бартсп, В.Г. Иноземцев, О. 1ребенюк, Г.В. Гмричиани и др.

На основе анализа исследований- разработана математическая модель циклонного фильтрующего цемента с учетом особенностей конструкции и условий эксплуатации.

Анализ работ по определению основных аэродинамических характеристик потока позволил выбрать для разработки методики расчёта настоящего исследования метод, заключающийся в упрощении исходных уравнений Назье-Стокса. Данный подход позволил достичь удовлетворительной точности в сочетании с простотой расчета, а также учесть особенности конструкции циклона и условий его эксплуатации.

В методике рассмотрен упрощенный случай: плоское {¡г = 0>

круговое движение,' радиальная скорость потока Иг=0, и осевая скорость И*=сопз1, на входе в циклонную камеру на радиусе г,х частица потока располагает превышением жергии ДН„ над энергией среды, в которую происходит истечение из камеры, перепадом статического давления ДРгх и скоростью

Тангенциальная составляющая скорости п'р имеет различный характер вдоль радиуса циклонной камеры. Круговое движение срез складывается из двух возможных видсз вращательного движения: ядра и «Безвихревого», /ли «потенциального» вращения. Окружная скорость з ядре нил:-з, а ее распределение не удовлетворяет требованиям с^па-рационного процесса, так как частица пыли, оказавшись в ядре, не сможет набрать радиальную скорость и отлететь к стенке.

Исследования, проведение Барахтенсо.и Кдельчжсы, пошали, что >ыень-шгаь влияние ядра ш*но за счет швш конструкции завихригепя. В связи с эзи дгл дальнейшего анализа 6л а£ран ксничеаой лсшсшсй завихрюель, • с по-

I

ыадью кссххого указание недостатки удалось устранить.

Опушая скорость Иф определялась следуодии выражениями. Для ядра: = (1)

Для вихревого вращения:

К = (2)

При изучении движения твердой частицы в закрученном потоке с определенными вша> параметрами использовано дифференциальное уравнение движения её центра массы:

• (3)

где ' | - ко з£фициент присоединенной массы;

V - вектор абсолютной скорости частицы;

£г - сумма векторов сил, действующих на частицу.

Исходя из приведённых сравнительных оценок, еввду малости всех рассмотренных сил по сравнению с силой афодинамического сопротивления (которую в дальнейшем будет обозначаться как Р4), уравнение (3) в проекциях на оси координат ысжно записать в следущем виде:

----2-) = Раг

а / г

с11Уф Ш? ; (5)

т ( —ГГ~ + ——) = Ра ф

л IV , = р <6)

й I

а х

При расчетах траекторий частиц в исследовании использовалось выражение для аэродинамического сопротивления сферического тела в воздушном потоке:

• (7)

где Ся - коэффициент сопротивления частицы;

Еч - площадь миделева сечения;

И - относительная скорость частицы. -

Аэродинамическое сопротивление циклона определялось по формуле: ■' " К'}. (3) 1=1 1 где 1 - количество элементов циклона;

- коэффициент сопротивления 1-го зземента;

& - скорость потока-в'1-м элементе.

В расчете была принята следующая схема циклона: элемент ??1 -завихритель, 92 - циклонная часть, 33 - отсосная часть. Для каждого цемента определялись коэффициенты аэродинамического сопротивления.

Для теоретического исследования циклонного фильтра с помощью ЗзМ на основании разработанной методики состазлен алгоритм расчета.

При расчете определялись траектории частей, попагвкх з циклон. Диаметр частиц выбирался из диапазона, определяемого фракционным составом, с шагом 3-8 ихи (принималось, что в пределах хага траектории частиц одинаковы). Рассчитывались траектории этих час-

ю

тиц с учетом радиуса гО, на котором они входят в завихритель (гО=О...Нц). Если частица при движении достигает стенки циклона, то выполняется расчет траектории отскока (по заданному коэффициенту отскока). В расчете учитывалось также влияние подсоса пыли из отсосной части циклона в центральную трубку путем введения на участке радиальной скорости потока Кг, вектор которой направлен к оси. циклона.

По количеству частиц, попавших в отсосную щель, определялись фракционные и суммарный коэффициенты очистки.

Расчет проводился при различных значениях расхода воздуха.

При вводе исходных данных учтено, влияние геометрических параметров на характеристики циклона. Выявлено, что сепарация пыли и аэродинамическое сопротивление зависят от угла установки и формы лопастей, радиуса и длины циклонной камеры, площади входного сечения зазихрителя, внутреннего радиуса входного сечения (1^), радиуса центральной трубки.

Были проведены расчеты циклонов с различными радиусами циклонных ' камер Иц, которые показали, что наилучшей эффективностью очистки при эсвизалентной воздушной нагрузке обладают циклоны с малыми радиусами. С учетом литературных данных и требований по сепарации пыли на тяговом подвижном составе предварительно били шбракы параметры циклонного цемента: диаметр цикленной камеры 40 мм, конический завихритель с б лопастями, длина циклонной камеры Зйц, диаметр центральной трубки 0,8.^. Однако при расчете циклона с указанными параметрами требуемые уровни эффективности не были достигнуты.

Улучшение характеристик циклонного элемента по отношению к первоначально выбранному.варианту, было достигнуто за счет увеличения радиуса центральной трубки 1Ц, с 0,8 до jO,85R„ и длины циклонной камеры с 3 до 4Вц. .

Расчеты показали, что циклон с elоранными размерами сможет обеспечить азюдинамическое сопротивление 500 Па (50 мм.в.ст) при расходе 0,0236 м3/с, имея эффективность очистки от пыли с удельной поверхностью 2900 см2/г не ниже 80% а диапазоне расходов от 30 до 100% от номинального. ..

По-результатам теоретических исследований циклон, принятый для дальнейшего анализа, имеет следующие геометрические характеристики:

- внутренний.радиус циклонной камеры 0,02 м;

- длина циклонной камеры 0,08 ы;

- радиус пылеотводной трубки 0,017 м;

- количество лопастей заверителя 6;

- высота завихрителя 0,06 м;

- ширина основания сечения входа в завихритель bz 0,009 и;

- суммарная длина циклона с учетом отсосной части (1отс=0,31ц) 0,175 м.

В третьей главе рассмотрена методика проведения экспериментальных исследований циклонного самоочищающегося фильтра, приведено описание оборудования, необходимого для проведения эксперимента, даны результаты жсперимента.

У.етоджг проведения испытаний и оборудование отвечают требованиям установленных стандартов (рис. 1).

Схема стендов для испытаний воздухоочистителей а) •

ТНаграбляоший короб ?.Ци* лоинъй элемент З.Водяной О-образный маюгчпр ¿.Канал для отсоса юг^язнемного йоздула 5. Кор гц/с тк а неб ого фи/>* п>ро ¿.Мерные налиброЬанмые иъОбы 7.3а с лонга . .

6, 11 Центр одежный 6е*(гщлетор

9. V. 7ко»еЬыд фильтр

10. Миф фу юр Ц.Зжектор

б)

1. ЫапраблРСшии мороб

2.Мцлыгщциклонный фцлыпр

3.Водяной О-образный манометр

4. Ко мал с?ля от ос а загряунениого &0)3уха

В ЧсгфойаъЬп для улоЬпоЬстия пыли 6.№$рн*е гало£робонные шайбы 7.Заслонка

д.ЦенпробеяныО Вентилятор

9.Филыпрусч1иО пятак

10.Ва*уунный насос П.Лифруз ср

12.Центроде.*ный Сен/пилямор отсоса и. Эжектор

а) - для одиночного циклона; б) - для блока.

Рис. 1.

Основными задачами жспериментальных исследований являлись':

- оценка возможности блочной компоновки циклонных ззементов;

- проверка характеристик ыультицихлонных фильтров, полученных теоретически;

- совершенствование конструкции циклонного элемента.

Испытания проводились в лаборатории зсспериментального центра ВНЮТТ на ст. Щербинка. Испытывались как отдельные циклоны, так и мультициклонный блок.

Были проведены1,испытания'¿'.циклонами различных радиусов: от 0,02 до 0,05 м, с заверителями различных конструкций, в том числе инековыми, коническими трех-, .четырех-, шестилопастными, имеющими различные размеры Ьг .('высота циклона по образующей - рис. 2) и Ъг [размер основания щели для входа воздуха), с центральной частью и без нее. В ходе испытаний подтвердились расчетные данные о низкой эффективности циклонов с большими радиусами циклонной камеры, имеющие заверитель с малйм числом лопастей (3-4), а также циклоны со ¡¡.чековым завихрителем. \Наилучшие результаты показал циклон с коническим шестилопастным завихрителем, радиусом циклонной камеры 0,02 м, длиной циклонной камеры 4Нц.

На основании полученных данных были построены характеристики циклонного шемента (рис.3, 4 и 5), из которых еидно, что экспериментальные (на рисунках обозначены точками) и расчетные (обозначены линиями) данные отличаются с допустимой погреаностью, и разработанная конструкция мультициклона удовлетворяет поставленным требованиям.

Заверитель циклона

Рис.' 3.

Показатели эффективности очистки циклона (опыта с пькьс)

0,005 .

0,01

0,015

0,02 0, мЗ/с

- опытные данные;

•расчетные данные.

Рис. 4.

1

0,8 0,6 0,4 0,2

Показатели эффективности очистки циклона (опыты аз снегом)

0 0, 005 0,01 0,015 0,02 1 0,025 0,03 0,035 0г"3/с

¡5

расчетные данные,.

по результатам испытаний циклонного * цемента был изготовлен макетный образец мультициклонного блока, который затем испытывался на стенде. Характеристики блока следующие:

- вход очищаемого воздуха - фронтальный;

- количество циклонов - 52;

- номинальный расход воздуха - 4420 м3/ч (1,228 ы3/с);

- количество отсасываемого воздуха с пылью - 10%;

- габаритные размеры1 - 400x400x175 мм.

- конструктивная схема - мультициклон с прямоточными инерционными воздухоочистителями и принудительным отсосом пыли;

Проводились испытания на определение эффективности очистки воздуха от пыли, снега (древесных опилок) и влаги. Опытные данные показали, что ухудшение характеристик аэродинамического' сопротивления и эффективности очистки вследствие взаимного влияния циклонов является незначительным и не превышает 3-51.

В четвертой главе приведена методика и определен жоноыиче-ский эффект модернизации тепловозов Т 3170 в части замены серийных пенополиуретаяовых фильтров устанозки централизованного всздухо-снабжения на мультициклонные.

Сокращение текущих издержек осуществляется за счет:

- затрат на техническое обслуживание и ремонт мультицихлон-ных фильтров;

- количества порч и неплановых ремонтов, вызванных возгораниями пенополиуретановых фильтров;

- объема ремонта шектрических мааин и аппаратов за счет солее качественной очистки воздуха.

р

При расчете принято, что мультициклонные фильтры имеют отсасывающий агрегат (агрегаты). издержки учитываются по стоимости топлива, израсходованного дизелем на привод агрегата. Расход топлива составляет

В от с = 8 е ' М ото • 1 • *г' (28)

где де - удельный расход топлива дизелем, П'/1Сгт.ч ; Нот - мощность отсасызающего агрегата, кВт; т] - кпд передачи мощности (принят 0,9); ^ - время работы тепловоза за год, ч. По результатам расчета уонсмический эффект за расчетный остаточный срок службы тепловозов (10 лет) составляет 9,65 млрд. руб. (на весь парк тепловозов Т3170). Срок окупаемости составляет 3,2 года.

Заключение . \ 1 •

• 1.Проведенный анализ исследовательских и эксплуатационных данных показал, что устройства для очистки воздуха, применяемые на тяговом подвижном составе, имеют недостаточную эффективность, .значительно ухудшающиеся в процессе жсплуатации характеристики, требуют большого объема ремонта и технического обслуживания, для их нормальной работы необходима пг-опитка или заправка смазочными материалами. ПенополиуретаноЕые воздушные фильтры тепловозов являются пожароопасными. В работе показано, что устранить указанные недостатки на эксплуатируемых и вновь создаваемых тепловозах можно

за счет применения новых мультициклонных самоочищащихся воздушных фильтров.

2.Разработана математическая модель расчета афодинамическкх сепараиионных процессов в циклонном элементе, которая позволяет

исслед вать влияние геометрических параметров, воздушной нагрузки, режимов работы агрегатов локомотива, а также концентрации и фракционного состава пыли на показатели работы циклонного фильтра.

3.В результате расчетов установлено:

3.1.Мультициклонный фильтр имеет сравнительно небольшое аэродинамическое сопротивление - не более 50 мм.в.ст (500 Па) при расходе воздуха 0,0236 и3/с, что позволяет использовать его в сис темах охлаждения электрических малин и аппаратов как с центробежным, так и с осевым вентилятором.

3.2.Мультициклонный фильтр обеспечивает стабильную -эффективную очистку воздуха от пыли до 851, снега - до 83& и капельной влаги до 981.

. З.З.Мультицикяонкые фильтры имеет высокую удельную воздушную нагрузку - 8,5 м3/(м2с), удовлетворяющую современным требованиям;

3.4.Полученные характеристики дают возможность применять

мультициклонкые фильтры в системах воздухоснабжения тягового под-t

вижного состав, а также в прошилекности.

3.5.Мультициклонные фильтры можно использовать в качестве первой ступени .очистки воздуха для дизелей, с установкой во второй ступени фильтров тонкой очистки.

4. Экспериментальными исследованиями подтверждены теоретические выводы об эффективности работы мультициклонного фильтра з специфических услозиях эксплуатации тягового подвижного состава.

5.Выполнена сценка технико-эсономической-эффективности модернизации тепловозов Т3170 с заменой;серийных фильтров установки централизованного воздухоснабжения на мультициклонные. При этом экономический эффект за расчетный остаточный срок службы тепловозов (10 лет) составляет 9,65 млрд. руб. на весь парк тепловозов Т 3170 (в ценах 1996 г.).

6.С учетом результатов выполненных исследований ПО "КТЗ" И ВНИИЖТсм разработан прект модеонизацш тепловозов Т3170, путем установки мультициклонных фильтров. ВЮШТом разработан также проект замены серийных фильтроз централизованного воздухоснабжения тепловозов Т3170 в условиях депо. ООО "БМЗ-тепловоз" совместно с БНИЖГом ведутся работы по проекту тепловоза с асинхронными тяговыми дзигателями и мультицихлонными фильтрами. Эти фильтры будут также устанавливаться на перспективном подвижном составе.

Основные положения диссертации опублйкованы в работах:

1.Клевакин В.К., Гладков К.В. Оценка возможности создания аукционной системы охлаждения дизелей тепловозов/ 'Всерос. Яауч,-исслед. Ин-т ж.-д. Трансп. (ВНИИЖТ) - М, 1996. - 13 с. - Деп. в ЦНИИТ31 МПС, »6063-ждЭб.

2.Гладков К.В., Коссов Е.Е., Клевакин В.К. Устройства для очистки воздуха, применяемые на железнодорожном тяговом подвижном

состаье и в промышленности/ Всерос. На'уч.-исслед. Ин-т ж.-д. Трансп. (ВНШТ) - М, 1997. - 50 с. - Деп. в ЦНИИТ31 МПС, »6120-жд97.

3.Клевакин В.К., Гладков К.В. Эффективные самоочищающиеся фильтры //Локомотив. - 1997. - ¡НО. С.34-35.

4.Гладков К.В. Воздухоочистители систем охлаждения тяговых электродвигателей//Локомотив. - 1997. - Sil. С.31-32.

Подписано к печати /&. о 4. в е t Ссршт бумаги 60x90 1/16. О&ыа* 4 & Заказ dJji Тираж ЮС зсз.

Типография ШЖГ. 3-я 1-Ьггицинская ул., 10