CC BY
43
значение 1С(, = /п, в Це,1Ь обратной связи каж-
ы
дого электродвигателя вводим корректирующий сигнал, пропорциональный разности токов /-го двигателя и/срик-кпЯ1А1 = к1К.т1(1в-1гр) (рис. 4).
На рис. 5 приведены отклонения токов и моментов двигателей при использовании обратных связей. Отклонения от равномерного распределения токов нагрузки на интервалах перегиба кривых снижаются до 3 — 4 %. Данный способ выравнивания токов предпочтителен для систем, работающих с большими заданиями скорости.
Для систем с малыми заданиями скорости токи якорей не входят в режим ограничения. Исключение данною режима позволяет перейти к настройке ре1-у-ляторов по параметрам соответствующих электродвигателей, чем обеспечивающих более результативное выравнивание токов моментов нагрузки (рис. 6).
Как следует из рисунка, имеет место практически полное согласование токов и моментов двигателей.
Выводы
Выравнивание токов двигателей многодвигатель-ного электропривода с общим механическим валом в динамическом режиме при отработке больших заданий скорости с ограничением нагрузки обеспечивается настройкой регуляторов тока по параметрам электродвигателя с наибольшим сопротивлением якорной цепи и введением перекрестных обратных
связей пропорциональных разности между током соответствующего электродвигателя и средним значением из токов всех двигателей. При отработке малых заданий скорости - настройкой регуляторов тока по параметрам соответствующих электродвигателей.
Опытная проверка теоретических положений, выполнялась на двенадцати двигательном приводе поворота конвертера массой 350 т Западно-Сибирского металлургического комбината. Получена хорошая согласованность результатов.
Библиографический список
1. Чиликни, М.Г. Общий курс электропривода (Текст] / М.Г. Чиликни. Л.С.. Сандлер. М.: Энергонздат. 1981. — 576 с.
2. Бычков. В.П. Электропривод и автоматизация металлургического производства |Текст| / В.П. Бычков. - М. : Высшая школа, 1977. - 391 с.
ЕГОРОВ Владимир Фёдорович, кандидат технических наук, доцент кафедры механического оборудования металлургических заводов Сибирского государственного индустриального университета.
Адрес для переписки: e-mail: [email protected] ЕГОРОВ Сергей Владимирович, руководитель отдела КИПА ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат».
Статья поступила в редакцию 07.12.2009 г.
© В. ф. Егоров, С. В. Егоров
УДК 621.43 + 621.51 В. J1. ЮШЛ
Г. И. ЧЕРНОВ
Омский государственный технический университет
ИДЕАЛЬНЫЙ
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ КОМБИНИРОВАННОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ПОДОГРЕВОМ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ________________________
В статье представлены результаты теоретического анализа эффективности идеального термодинамического цикла комбинированного двигателя внутреннего сгорания с подачей воды в камеру сгорания. Проведён анализ влияния параметров воды, поступающей из системы охлаждения компрессорной ступени в камеру сгорания двигателя после её дополнительного рекуперативного подогрева выхлопным газами, на характеристики двигателя.
Ключевые слова: рабочий цикл, камера сгорания, парогазовая смесь
Компрессорные агрегаты являются составной частью технологических и энергетических машин и установок различного назначения, производительности и мощности, в том числе транспортных и стационарных комбинированных двигателей внутреннего сго-
рания, в которых они используются для наддува воздуха в цилиндры [1, 2, 3, 4]. Одним из направлений повышения термодинамической эффективности комбинированных ДВС является впрыск испаряющейся воды в поток рабочего газа [ 1 ], поэтому стано-
вится актуальным использование теплоты, отводимой к воде от воздуха, сжимаемого в компрессорной ступени комбинированного ДВС. Выполненный ранее анализ термодинамической эффективности комбинированного ДВС с парогазовым рабочим телом позволил установить, что впрыск воды в камеру сгорания комбинированного ДВС, нагретой при охлаждении предварительно сжимаемого воздуха, позволяет существенно снизить температуру газа в цикле при незначительном ухудшении экономичности рабочего процесса (51.
Для оценки возможности повышения экономичности комбинированного ДВС с парогазовым рабочим телом проведём анализ эффективности идеального термодинамического цикла комбинированной) двигателя внутреннего сгорания с дополнительным иодог-ревом воды из системы охлаждения компрессора перед её подачей в камеру сгорания. Для этого рассмотрим один из возможных вариантов термодинамического цикла комбинированного ДВС [5], в котором охлаждение сжимаемого воздуха обеспечивается впрыском воды в компрессор (рис.1; процесс 0 — 2). После компрессорной ступени нагретая в ней вода отделяется от воздуха, который поступает в камеру сгорания (КС) двигателя и в рекуперативный теплообменник, в ко тором дополнительно подо1ревается выхлопными газами. Затем мгновенно происходят процессы изохорного сгорания -топлива в КС (процесс 2 — 3), подачи дополнительно подогретой воды в КС, нагрева и полного испарения воды (процесс 3 — 3' - 3”). После этого газопаровая смесь расширяется до давления выхлопа, равного начальному (процесс 3" —4"); возмож) юсть достижения такою равенства давлений в комбинированных ДВС рассмотрено в [5|. После рекуперативного теплообменника температура выхлопных газов понизится до температуры в точке 4'.
Предположим, что в одном из возможных вариантов такого цикла имеет место мгновенная конденсация водяных паров в точке 4* и одновременное мгновенное отделение конденсата от газовой смеси. В этом случае выделившаяся теплота фазового перехода определяет процессы 4' — 5 — 6 — 7, включающие дополнительную полезную работу расширения в процессе 5 —6.
Математическая модель идеального рабочего цикла комбинированного ДВС для рассматриваемого цикла включает в себя систему допущений, расчётные уравнения, условия однозначности.
Для решения поставленной задачи приняты следующие допущения:
— процесс предварительного адиабатного сжатия отсутствует [5]; процессы 0 — 2,3" — 4" являются поли-тропными процессами сжатия и расширения с постоянными показателями политропы и могут протекать как с подводом, так и с отводом тепла; величина политропы в этих процессах может быть как одинаковой для всех процессов, так и индивидуальной для каждого из них; процесс расширения 3"-4" протекает при одинаковой величине показателя политропы независимо от конструктивной реализации этого процесса;
— теплота в циклах подводится при температуре выше окружающей среды, что возможно осуществить только за счёт сгорания топлива (тепловыделением от трения пренебрегаем);
— масса газа (воздуха) в процессе 0—2 постоянна; масса газа {газовая смесь продуктов сгорания) в процессе 2-3 увеличивается мгновенно на величину массы впрыскиваемого топлива; масса газовой смеси в процессе 3" -4" постоянна;
Рис. I. Идеальный термодинамический цикл комбинированного ДВС с подачей воды, подогретой в системах охлаждения компрессорной стунсни и выхлопного газа, в камеру сгорания
— изохорная теплоёмкость и коэффициент адиабаты топливно-воздушной смеси являются постоянными величинами и равны изохорной теплоёмкости и коэффициенту адиабаты воздуха, т.к. доля топлива в топливно-воздушной смеси незначительна (примерно 1 част ь топлива на 15 частей смеси (2, 31);
— процесс расширения осуществляется до давления окружающей среды Р(|, при котором протекает процесс теплообмена в рекуперативном теплообменнике (точки 4" и 4'), т.е. давление выхлопа равно начальному давлению;
— основной процесс подвода тепла — это процесс изохорного сгорания топлива 2 — 3;
— во всех процессах цикла рабочий газ — идеальный газ;
— потери давления в органах газораспределения и в коммуникациях отсутствуют;
— температура и давление газа в коммуникациях не изменяется; исключение — охлаждение сжатого воздуха в ОНВ [51 и охлаждение выхлопных газов в рекуперативном теплообменнике.
— затраты мощности на механическое трение и на привод вспомогательных механизмов отсутствуют;
— параметры состояния и масса газовой и парогазовой смеси в процессах 2 — 3 — 3’ - 3” изменяются мгновенно;
— промежуточный теплоноситель (вода) испаряется полностью; его конденсация в процессе Зи-4”, а также в процессе 4"— 4' отсутствует (последнее может быть справедливо применительно к быстротечным процессам (6, 7, 8});
— максимально достижимая температура воды, впрыскиваемой в КС, определяется величиной давления газовой смеси в КС.
Расчётные уравнения математической модели идеального рабочего процесса комбинированного ДВС с парогазовым рабочим телом представим в соответствии с последовательностью рабочих процессов в рассматриваемом цикле.
Определение температуры, давления и удельного объема воздуха в конце процесса сжатия 0-2 при условии р,=р0 (£„, = 1):
?2 - ад
Р'1 ~ 12 1
у - р Та,
2 ПВ _
Рг
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ вестник Г* 1 <»7> 2010
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ 1СС.ТНИК № 1 (47) ЗОЮ
Определение температуры, давления и объема п конце процесса 2 — 3:
*-» а Т 'Г
Г3=Т0е0}е|2я'‘ +^~. Рз = ~фРг> = Т"1
^ /2 Р3
Определение температуры жидкости при теплообмене между газом и подой п процессе 1 - 2 и показателя адиабаты парогазовой смеси в точке 3’:
«12-1 Сл
ш
?.г» ’
р «И _1
* =1—+А -
Л*-«П I 11/1
1 + т
Сг,ш
Давление впрыскиваемой воды принимаем ря = р,. Определение температуры насыщенных водяных паров и удельной теплоты парообразования, соответствующих давлению рж, производится по данным, представленным п (9]. Определение температуры и параметров парогазовой смеси для 1 кг газа при массе жидкости, приходящейся на I кг массы тазовой смеси, равной т:
Ту =
с,Т0
ВМ+ж '01 12 *
СЛ
+ с*тТж
с., + /ПС
-[г.+(ся-сряп)г<н„]т
с— - — + 7ТТГ = СунЛК*п -1).
1 + /п 1 + /и
Гг
>
*
Рз-(1 + 0!)Я„„^ Т4. = Та. —
УТ \Рх)
Определение параметров газовой смеси после вытеснения сконденсированною водяною пара производится аналогично тому, как это представлено в [5|. Определение работы в процессах цикла:
'№=(, + т(т7^+Т7^'с....
^.=^(Г,-Г,.Х1 + ш):
1п=Щт.,-т,у, У„ = к(г).-г0) или 1п = Я('Г,-Т„); /к - Я,„(Т6 -Г,);
" (1-1
: '* = СДГ5-Г6);
л12-1
(И
е,""
: 4/ = Л(Гб-Г7).
Рис. 2. Влияние количества впрыскиваемой воды на индикаторный КПД комбинированного ДВС:
1 - впрыск в точке 3 при температуре воды, не превышающей температуру выхлопных газов в точке 4’*; 2 - то же с учетом конденсации водяных паров в точке 4‘ и процессов 4’ — 5 - 6 -7;
3 - впрыск в точке 3 при максимальной температуре воды, достижимой при давлении РЛ (22 МПа);
•I - впрыск в точке М при максимальной температуре воды, достижимой при давлении Рм(0,4 МПа);
5 - впрыск в точке М при максимальной температуре воды, достижимой при давлении Рм(11 МПа)
Т. К сооо
шз
2000
ЮОО
\ 7
N. я з 1
. 9 Г)
. 1 ;
6
щ о? аз о.5
Рис. 3. Влияние количества впрыскиваемой воды на величину температуры парогазовой смеси в рабочей камере ДВС:
I - температура в точке 3” при температуре воды, не превышающей температуру выхлопных газов в точке 4*'; 2 - температура в точке 4", соответствующая режиму 1;
3 - температура в точке 3‘* при максимальной температуре воды, дост ижимой при давлении Р, (22 МПа);
4 - температура в точке 4’*, соответствующая режиму 3;
5 - температура в точке 4'\ соответствующая режиму 7, 8; О - температура в точке 4'\ соответствующая режиму 9, 10; 7,8- температуры в точках М и N при Р = 11 МПа;
9, 10 - температуры в точках М и N при Р =0.4 МПа
П =
= -£
К
. Л,-
1Р~1С
Ч + гпУя(р3-р0)‘
где ^=/3.ч. (или для цикла с дополнительным расширением /(=/т.4.. + /ж) — удельная работа расширения цикла: /,.= /0( + /12 + 1ХГ + /4..4. + /4.0 (или для цикла с дополнительным расширением /с=/01 + 1и + /3у. + /4..4. + /4.4 + ■Ц,7 ^ А©) “ удельная суммарная работа сжатия цикла; q — удельное количество теплоты, подведённое к рабочему телу в процессе сгорания топлива.
Расчёт цикла комбинированною ДВС с парогазовым рабочим телом производился при следующих условиях однозначности: рй = 105 Па; Г0 = Тж<) = 273 К; е01= 1; е|2= 15; =0,001006 м:,/кг; к =1,4; Лш1=1,33;
1 <л12</с; ц=0,029; =0,018; ЛуГ = *гмп; д = 2900 кДж/кп
су = 897Дж/кгК; сж = 4190Дж/кгК; сИ(1, = 2168Дж/кг К; срип= 2630Дж/кг К.
Как показали полученные результаты, по сравнению с рассмотренным ранее вариантом (впрыск воды
п КС после охлаждения воздуха в компрессорной ступени [5]) впрыск поды в КС комбинированного ДВС. после дополнительного рекуперативного подогрева выхлопными газами также оказывает заметное влияние? па его интегральные характеристики, при этом снижаются потери части теплоты сгорания топлива, затрачиваемой на нагрев воды, что в целом приводит к увеличению экономичности комбинированного ДВС. Так, по сравнению с «сухим» циклом для заданных условий однозначности, увеличение количества воды, впрыскиваемой в точке 3, приводит к незначительному снижению КПД и заметному снижению максимальной температуры цикла (рис. 2, 3). При большом количестве жидкости КПД может снизиться на 10 % более при одновременном уменьшении величины максимальной температуры парогазовой смеси в КС примерно в 2 раза; однако при т < 0,1 кг/кг это снижение составляет не более 0,5...2,0 %, тогда как максимальная температура газовой смеси в цикле снижается тоже достаточно существенно (примерно на 1000К). Анализ положительных аспектов подобного результата представлен в |5). Пели предположить возможность получения дополнительной работы расширения (процесс 5 — 6 на рис.1), то КПД может даже превышать КПД двигателя при «сухом» режиме. При запаздывании подачи воды в КС КПД комбинированного двигателя по сравнению с «сухим» режимом работы также может увеличиться, однако это увеличение несущественно, а максимальная температура цикла не снижается (рис. 2,3). Резкое снижение КПД при больших количествах впрыскиваемой воды объясняется снижением темпера туры выхлопных газов в точке 4" и соответствующим снижением максимально достижимой температуры воды, впрыскиваемой в КС.
Таким образом, проведённый расчётно-теоре-тический анализ позволил установит!., что впрыск воды в КС комбинированного ДВС, последова тельно нагретой при охлаждении предварительно сжимаемого воздуха и выхлопных газов, может обеспечить существенное снижение, температуры газа в цикле при незначительном повышении экономичности рабочего процесса. Как видно, преимуществом рас-
смотренного цикла комбинированного ДВС по сравнению с традиционным «сухим» циклом заключается главным образом в снижении теплонапряжённости деталей ДВС и связанной с этим перспективой совершенствования конструкций комбинированного ДВС.
Библиографический список
1. Кавтарадзе, Р.З. Теория поршневых двигателей / Р.З. Кав-тарадзе. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2008. — 720 с
2. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей / Д.Н. Вырубов |ндр.] // под ред. А.С. Орлина. М.Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1983. -375 с.
3. Двигатели внутреннего сгорания : в 3 кн. — М.: Высш шк., 2007. — Кн. I: Теория рабочих процессов. 479 с.
4. Теплотехника / А.М Архаров (и др.| — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. — 712 с.
5. Юша, В А Анализ эффективности идеального термодинамического цикла комбинированного двигателя внутреннего сгорания с парогазовым рабочим телом / В.Л. Юша. Г.И. Чернов // Омский научный вестник. — 2009. — №3(83). — С. 154- 158.
6. Теплопередача в двухфазном потоке / под ред. Д. Баттер-ворса, Г. Хьюитта. — М. : Энергия. 1980. — 328 с.
7. Амелин, А.Г. Теоретические основы образования тумана при конденсации пара/А.Г. Амелин — М..Химия. 1966. - 296с.
8. Кириллов, И.И. Основы теории влажнопаровых турбин / И.И. Кириллов. P.M. Яблоник. - М.: Машиностроение. 1968. — 264 с.
9. Вукалович. М П. Таблицы геплофизических свойств воды и водяного пара / M.l 1. Вукалович. С-Л. Ривкин, Л.Л. Александров — М.: Изд-во стандартов. 1969. — 408 с.
ЮШЛ Владимир Леонидович, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Компрессорные и холодильные машины и установки».
ЧЕРНОВ Герман Игоревич, кандидат технических паук, доцент кафедры «Техника и физика низких температур».
Адрес для переписки: e-mail: [email protected]
Статья поступила о редакцию 28.12.2009 г.
© В. Л. Юша, Г. И. Чернов
Книжная полка
Режущий инструмент [Текст]: учеб. пособие для вузов по направлениям « Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств», «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» / А. А. Рыжкин [и др.). — Ростов н/Д: Феникс, 2009.—405 с. — (Высшее образование). —ISBN 978-5-222-15232-4.
В учебном пособии рассматриваются конструктивные особенности современных металлорежущих инструментов различных типов — резцов, сверл, зенкеров, разверток, протяжек, резьбообразующего инструмента, мя обработки зубчатых колес и неэвольвентных профилей: шлицевых и гранных валов, звездочек, храповиков и зубчатых колес с зацеплением Новикова, обосновываются принципы выбора геометрических и конструктивных параметров и расчетов исполнительных размеров некоторых типов инструмен тов, приводятся современные конструкции металлорежущих инструментов, оснащенных многогранными неперетачиваемыми пластинами из твердых сплавов и синтетических сверхтвердых материалов, широко применяемых в автоматизированном производстве.
Особое внимание уделяется не только конструкции, но и вопросам профилирования инструмепталля обработки методом обкатки зубчатых колес и неэвольвентных профилей, наряду с режущим инструментом приводятся необходимые сведения о вспомогательном инструменте для станков с ЧПУ как составной части системы инструмен тального обеспечения автоматизированного производства.
