Влияние внешних и эксплуатационных факторов на совместную работу ГТНА и дизеля

Анализ конструкции и эксплуатационных качеств двигателя-прототипа.

В соответствии с исходными данными на курсовой проект в качестве двигателя прототипа выбираем дизель 6 ДКРН 74/160-3 (6K74EF).

Таблица 1. Технические данные дизеля 6ЧРН 36/45.

Маркировка по ГОСТу	Тип	Мощность Ne, квт	Частота вращения n, об/мин	Среднее эффективное давление pe, кгс/см2	Число цилиндров, i	Удельный расход топлива ge, г/э.л.с. ч
8ДР30/50	2х-тактный			7,86

Согласно исходным данным для данного двигателя-прототипа подбираем турбокомпрессор из типоразмерного ряда ТК. Наиболее подходящим является турбонагнетатель ТК-64 с диаметром колеса 640 мм.

Таблица 2. Основные показатели турбокомпрессора ТК-64 по ГОСТу 9658-66.

Наименование показателей	ТК-64
Номинальный диаметр колеса компрессора, мм
Степень повышения давления	2,5
Температура газа перед турбиной при длительной работе, ºС
Максимальная температура газа перед турбиной, допускаемая в течение часа, ºС
КПД турбины (с учетом потерь в подшипниках), не менее	0,8
Расчетный (по ротору) технический ресурс турбокомпрессора, час
Сухой вес без входных устройств (кг) при изготовлении корпуса: из легкого сплава из чугуна
Габариты, мм: Длина Ширина Высота
Срок службы подшипников, час

Ротор турбокомпрессора.Составными частями ротора являются вал 15, рабочее колесо турбины 9 и рабочее колесо компрессора 2. В рассматриваемой конструкции ТК вал состоит из двух сваренных полувалов. К валу приварено рабочее колесо турбины 9.

На рисунке 2 видно, что рабочие лопатки турбины, выполненные из жаропроч­ной стали, прикреплены к диску также при помощи сварки. Во мно­гих случаях лопатки турбины имеют елочный замок, при помощи которого они соединяются с диском. Лопатки свободно входят в пазы диска (зазор в холодном состоянии (Δ = 0,2 -- 0,3 мм), что исключает появление высоких термических напряжений в ободе и лопатках во время работы и в случае необходимости позволяет легко заменять лопатки. Недостатком елочного замка является сложность его конфигурации и необходимость высокой точности обработки зубьев лопатки и пазов ротора. Малые радиусы закруг­лений в зубьях замка могут явиться причиной концентрации на­пряжений, вызывающих трещины в ножке лопатки и выступе диска.

Вид рабочей лопатки с елочным замком изображен на рисунке 3. (1 — рабочая лопатка, 2 — диск турбинного колеса; слева дан внешний вид лопатки с елочным замком). В некоторых слу­чаях рабочие лопатки отливаются заодно с диском турбины.

Рисунок 3. Рабочая лопатка с елочным замком.

Рабочее колесо турбины 9 изготовляется из жаростойких сталей. Рабочее колесо компрессора 2 отливается из алюминиевого сплава, плотно насаживается на вал и в условиях эксплуатации не может подвергаться разборке.

Уплотнения.На тыльной стороне рабочего колеса ком­прессора имеются гребешки, которые входят в пазы ана­логичных гребешков на разъ­емном неподвижном диске, образуя лабиринтные уплот­нения 18 (рисунок 2), ис­ключающие перетекание сжа­того воздуха в полости газоотводящего корпуса. Справа от упорно-опорного подшип­ника компрессора 19 и слева от опорного подшипника тур­бины 13 предусмотрены уплот­нения 12, состоящие из двух разрезных уплотнительных колец, действующих подобно поршневым кольцам дизеля, гребешков, завальцованных в вал и образующих лабиринт, а также ограничивающей втулки 21, запрессованной в корпус.

Устройство уплотнения со стороны компрессора показано на рисунке 4. В пространстве между валом 4 и втулкой 3 по сверлениям в корпусе и во втулке (позиция 5 на рисунке 4 или 22 на рисунке 2) из компрессора подводится сжатый воздух, который обеспе­чивает эффективное уплотнение полости подшипников. Таким обра­зом, масляная полость отделяется от воздушной полости компрес­сора уплотнительными кольцами 1, лабиринтными гребешками 2 и запорным воздухом. Со стороны турбины уплотнение конструктивно выполнено так же, как со стороны компрессора. Оно предназначено для предохранения полости подшипника от прорыва в нее газов из зазора между рабочим колесом турбины и сопловым аппаратом, а также для предотвращения попадания смазочного масла из по­лости подшипника на нагретые участки вала и в зазоры между дета­лями турбины.

Рисунок 4. Устройство уплотнения со стороны компрессора.

Сжатый воздух поступает из компрессора в полость лабиринт­ного уплотнения под давлением, превышающим давление газов в зазорах между колесом турбины и сопловым аппаратом, и таким образом препятствует прорыву газов к валу и подшипнику. Кроме того, он способствует охлаждению вала вблизи подшипника. Воз­дух, поступающий в полости лабиринтных уплотнений, по системе дренажных каналов 16 и 22 отводится во входное устройство ком­прессора или удаляется в атмосферу, чтобы предотвратить попада­ние воздуха в полости подшипников и систему отвода смазочного масла.

Подшипники.Ротор турбокомпрессора вращается в двух под­шипниках скольжения, которые дешевле и надежнее подшипников качения. На некоторых модификациях турбокомпрессоров, уста­новленных на тихоходных мощных дизелях, подшипники скольже­ния отрабатывают до 50 000 -:- 60 000 часов. На рис. 2 опорный подшипник 13 расположен в центральной части газоприемного кор­пуса и обеспечивает свободное расширение вала ТК при нагрева­нии. Подшипник 19 расположен в корпусе компрессора и является опорно-упорным. Опорный подшипник обычно состоит из двух по­ловинок, изготовленных из оловяннистой бронзы, залитой бабби­том.

Подшипник центрируется двумя втулками и болтами крепится к корпусу ТК. Смазочное масло подводится от циркуляционной системы дизеля к штуцеру, расположенному в крышке 14 газопри­емного корпуса. На опорной поверхности верхней части подшип­ника, в месте подвода масла, имеется вырез, обеспечивающий равно­мерное распределение масла по всей длине подшипника. Подшип­ник 19, расположенный в районе компрессора, не только выполняет опорные функции, но и воспринимает осевые усилия и потому называется опорно-упорным. Подвод масла к подшипнику 19 осу­ществляется через штуцер, установленный в крышке 20. Отвод масла из полостей подшипников производится по патрубкам, уста­новленным в крышках подшипников 14 и 20.

В унифицированных турбокомпрессорах применяются опорно-упорные подшипники двух модификаций.

Подшипник, изображенный на рисунке 5, устроен следующим об­разом. Втулка подшипника 26 из высокооловянистой бронзы за­прессована в стальной корпус 27 и застопорена винтом 29. В кор­пусе подшипника имеются каналы 23 для подвода и сли­ва смазочного масла (место подвода масла показано стрел­кой). Продольная канавка на рабочей поверхности втулки подшипника, доходящая до торца упорной пяты 25, пред­назначена для улучшения условий смазки и может при­меняться только в опорно-упорных подшипниках.

Рисунок 5. Опорно-упорный подшипник.

Положение упорной пяты фиксируется штифтом 24. Крепление подшипника про­изводится при помощи гайки 31 с замочной пластиной 32. Между гайкой и корпусом подшипника устанавливается шайба 30. В месте крепления корпуса и крышки подшипника предусмотрен компенса­тор 28.

На рисунке 6 изображен опорно-упорный подшипник повышенной несущей способности, конструкция которого приспособлена для ра­боты напряженных турбокомпрессоров.

Рисунок 6. Опорно-упорный подшипник повышенной несущей способности.

Опорная часть подшип­ника выполнена в виде плоского подпятника 35 из высокооловянистой бронзы, застопоренной от проворачивания штифтом 39. Осевые усилия воспринимаются упорной пятой 37, боковые поверх­ности которой упираются в подпятник и выступ вала. Между под­пятником 35 и корпусом подшипника 33 установлены упругие ме­таллические пластины 34, между которыми находится масло. Пла­стины и масло компенсируют возможные перекосы упорного торца подпятника при монтаже подшипника и во время работы. Масло подводится к подшипнику из системы смазки дизеля по штуцерам и каналам в корпусе подшипника 33 и подпятнике 35.

Для предотвращения уноса масла из полости подшипника пре­дусмотрены кольца, лабиринтные уплотнения и подвод запорного воздуха, а также дополнительные устройства в виде защитных ко­лец 38, установленных на упорной пяте 37, стопорного кольца 36 и маслосгонной резьбы на ее наружном диаметре.

В некоторых конструкциях напряженных турбокомпрессоров опорные и упорно-опорные подшипники выполняются из свинцо­вистой бронзы, что обеспечивает их длительную надежную работу при повышенных удельных давлениях.

Сопловой аппарат.В сопловом аппарате 10 (рисунок 2), распо­ложенном перед рабочим колесом 9, происходит преобразование потенциальной энергии газов в кинетическую, вследствие чего воз­растает скорость и уменьшается давление газов при входе на ло­патки рабочего колеса.

Конструктивно сопловой аппарат представляет собой непод­вижный лопаточный венец, состоящий из профильных лопаток, внутреннего и наружного колец и кожуха 8. Лопатки соплового аппарата могут отливаться вместе с внутренним кольцом (ободом), привариваться к кольцу или набираться из отдельных секторов. Внутреннее кольцо при помощи болтов крепится к газоприемному корпусу 11. Наружное кольцо соплового аппарата удерживается ввыточках стального или чугунного кожуха 8 так, что оно может свободно расширяться при нагревании. Кожух соплового аппарата 8 имеет удлиненную цилиндрическую форму, которая препятствует утечке газа из рабочего колеса турбины в радиальном направлении. Кожух вместе с экраном 7 формирует поток газов, вытекающих из рабочего колеса, и повышает безопасность эксплуатации в случае обрыва или поломки рабочих лопаток. На рисунке 2 видно, что кожух соплового аппарата крепится болтами к газоприемному корпусу.

Диффузор представляет собой расширяющийся канал, располо­женный в проточной части компрессора, между рабочим колесом и улиткой, давление в котором повышается за счет уменьшения кинетической энергии воздуха. Диффузоры могут быть щелевыми (безлопаточными) или лопаточными. На рис. 2 диффузор 4 выпол­нен в виде диска с лопатками, образующими расширяющиеся ка­налы, по которым воздух направляется в улитку.

Применение лопаточного диффузора позволяет повысить к. п. д. компрессора и при равных π_к умень­шить радиальные размеры компрессора в сравнении с безлопаточ­ным диффузором. Поворотом лопаток диффузора можно изменить характеристику, расширить зону устойчивой работы и повысить к. п. д. компрессора на частичных режимах работы дизеля.

При наличии лопаточных диффузоров между рабочим колесом и лопатками всегда есть щелевой участок, который также участ­вует в преобразовании энергии.

Эксплуатация ГТНА.

В процессе эксплуатации ГТНА контролируют следующие параметры:

· давление и общую температуру воздуха в ресивере (показания манометров и термопар выносятся в центральный пост и дублируются приборами местного контроля);

· потерю давлений в фильтре или подводящем трубопроводе компрессора;

· потерю давления в воздухоохладителе;

· температуру выпускных газов перед и за турбиной;

· температуру забортной воды на входе и выходе воздухоохладителя;

· частоту вращения турбокомпрессора;

· температуру воздуха на выходе из воздухоохладителя.

Температура воздуха в ресивере поддерживается в пределах 35-45 ºС. В воздухоохладителе без влагоотделителя терморегулятор должен быть настроен на исключение конденсации водяных паров. Превышение указанной температуры ведет к уменьшению заряда воздуха и повышению теплонапряженности деталей.

Потеря давления в фильтре должна быть в пределах 50-60 мм вод. Ст., потеря давления в воздухоохладителе – 200-300 мм вод. Ст. Повышение указанных значений указывает на загрязнение.

1. Техническое обслуживание ГТНА.

К техническому обслуживанию дизелей с ГТН предъявляются дополнительные требования, обусловленные особенностями их конструкциями и особенностями работы. Эти требования предусматривают проверку плотности впускных и выпускных коллекторов, тщательное наблюдение за состоянием и работоспособностью турбокомпрессора, проверку его температурного режима, умение обнаруживать неисправности в системе ГТН и своевременно устранять их.

Воздухозаборное устройство дизеля с ГТН следует поддерживать в таком состоянии, чтобы оно обеспечивало очистку воздуха, всасываемого турбокомпрессором, и низкий уровень шума. ТК должен быть разгружен от массы присоединяемых к нему трубопроводов во избежание возможной деформации его корпуса и нарушения установленных в нем монтажных зазоров.

Перед пуском дизеля с ГТН необходимо выполнить следующие операции:

· Подготовить к работе воздухоохладители и фильтры надувочного воздуха.

· При необходимости удалить воду и масло из ресивера продувочного воздуха, впускного и выпускного коллекторов, подпоршневых полостей продувочных насосов, воздушных полостей воздухоохладителей, газовых и воздушных полостей турбокомпрессоров. Проверить и пустить в ход автономные продувочные насосы.

· Подготовить к работе ТК. Проверить наличие масла в ваннах подшипников, исправность фильтров и работу масляных насосов. Обратить внимание на чистоту и крепление фильтра-заборника воздуха. Убедиться, что при работе турбины никакие посторонние предметы не могли попасть внутрь.

· Открыть все устройства закрывающие выпускной трубопровод.

Во время эксплуатации дизеля с ГТН ТК не требует спецобслуживания или регулирования, так как он автоматически переходит на работу по заданному режиму дизеля.

Однако во время работы дизеля следует выполнять ряд операций по обслуживанию ГТНА:

· Необходимо периодически контролировать температуру воздуха наддува после воздухоохладителей, которая в продувочном ресивере должна быть 2-4 ºС выше температуры начала конденсации водяных паров. Температуру воздуха необходимо регулировать изменением количества воды, прокачиваемой через воздухоохладители.

· Необходимо регулярно контролировать чистоту воздушных фильтров ТК. Признаком загрязнения служит падение давления надувочного воздуха и снижение частоты вращения ТК при росте температур выпускаемых газов.

· Периодически, не реже одного раза за вахту, должны продуваться воздушные полости воздухоохладителей, ресивера продувочного воздуха и подпоршневые полости продувочных насосов от скопившейся воды и масла.

· Если ТК оборудованы системой промывки, необходимо промывать компрессор и турбину. Промывка должна осуществляться согласно инструкции по эксплуатации ТК.

· При возникновении помпажа ТК необходимо снизить нагрузку дизеля. Если шум, хлопки, гудение не прекращаются, снизить давление в ресивере продувочного воздуха, открыв предохранительный клапан или вывинтив пробки на нагнетательном патрубке ТК. Необходимо следить за тем, чтобы температура газа перед турбиной не превысила допустимую. Если и этого недостаточно, то при первой возможности остановить дизель и устранить причину возникновения помпажа.

Показателями нормальной работы системы ГТН являются температура выпускных газов перед газовой турбиной ТК и давление наддува, которые измеряют при определенных мощности дизеля и частоте вращения коленчатого вала. Результаты измерений сравнивают с паспортными данными ТК. Если указанные параметры в течение длительного времени остаются неизменными. То это свидетельствует о нормальном состоянии ТК. Следует помнить, что на контрольные параметры работы ТК влияют неисправности двигателя и особенно его топливной аппаратуры и механизма газораспределения.

1. Исходные данные для расчета рабочего процесса.

Количество воздуха, необходимого для осуществления процессов сгорания топлива и продувки цилиндров, вычисляется по формуле

Gк = b_{e *} N_{e *} α_{1 *} φ_a / 3600 = 0,21 _* 4800 _* 28,7 _* 1,6 / 3600 = 12,85 кг/с,

где α₁ = α _* L₀ = 2 _* 14.35 = 28,7

b_e – удельный расход топлива в дизеле, кг/кВт _* ч

N_e – мощность дизеля, кВт

α₁ – воздушно-топливное отношение при сгорании

φ_a – коэффициент продувки

α – коэффициент избытка воздуха при сгорании

L₀ – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива, кг воздуха/ кг топлива (14,35 кг/кг).

Расход газа вычисляется по формуле

Gг = 12,85 _* [1 + 1 / 28,7] = 12,8 _* 1,03 = 13,2 кг/с

Влияние внешних и эксплуатационных факторов на совместную работу ГТНА и дизеля.

Влияние внешних факторов.

К внешним факторам, влияющим на работу ГТНА и ДВС относят: барометрическое давление, температуру окружающего воздуха, относительную влажность окружающего воздуха, температуру забортной воды, температуру топлива на входе в топливный насос.

Нормальными условиями окружающей среды считаются:

· барометрическое давление равное 0,1013 МПА;

· температура окружающего воздуха равная 20 ºС;

· относительная влажность окружающего воздуха равная 70 %;

· температура забортной воды равная 20 ºС.