Оценка эффективности тепловозной многодизельной энергетической установки с объединенной системой охлаждения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Общетехнические задачи и пути их решения

44

и

1 -b wfpc* I

1 -

ф t&L w2c

1 »1

ф

Заключение

В статье теоретически обоснован выбор параметров Г-образного входного фильтра с учетом числа фаз. Выведены расчетные соотношения для пульсаций

тока, потребляемого от конденсатора входного фильтра при многофазном регулировании.

УДК 629.424.3:621.436

А. В. Грищенко, В. А. Кручек, В. В. Кручек

Петербургский государственный университет путей сообщения

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОВОЗНОЙ МНОГОДИЗЕЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С ОБЪЕДИНЕННОЙ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ

Компания ОАО РЖД в настоящее время активно внедряет в локомотивный парк двухдизельные тепловозы. Опытные образцы двухдизельных тепловозов уже эксплуатируются компанией ОАО РЖД. Примером двухдизельного маневрового тепловоза является модернизированный тепловоз ЧМЭ3 № 4342. Этим тепловозам необходима оценка качества эксплуатационной работы. Поэтому для определения среднеэксплуатационного КПД многодизельной силовой установки разработана методика определения эффективного и среднеэксплуатационного КПД. В качестве практических рекомендаций предлагается объединять системы охлаждения дизелей.

многодизельная энергетическая установка, эффективный КПД, среднеэксплуатационный КПД, эффективная мощность, объединенная система охлаждения.

Введение

Статистика эксплуатации маневровых тепловозов показывает, что эти локомотивы большую часть времени смены работают в режимах малых

нагрузок и холостого хода. Данные режимы неблагоприятны с точки зрения эффективного КПД и расхода топлива. Двухдизельная силовая установка (СУ) на

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/1

Общетехнические задачи и пути их решения

45

маневровом тепловозе позволяет двухдизельной силовой установке на эксплуатировать тепловоз во время маневровом тепловозе рационально работы на малых нагрузках при работе применение объединенной системы одного дизеля из двух. Также при охлаждения дизелей.

1 Среднеэксплуатационный КПД многодизельной силовой установки

Выражение для определения среднеэксплуатационного эффективного КПД многодизельной энергетической установки (МСУ) можно записать в виде

h

МСУ

e

LT

i=l j=l

f n m ^

LLG

V i=1 j=1 J

j

(i)

где n - количество дизелей в установке; m -количество режимов работы МСУ; Lei]— работа, выполненная i-м дизелем в j-м режиме работы МСУ, кВт; Gij - расход топлива i-м дизелем в j-м режиме работы МСУ, кг; Q P - удельная теплота сгорания топлива, кДж/ кг.

Расход топлива i-м дизелем в j-м режиме работы МСУ

Gij = (gej • Neij + g,х.х) • tij , (2)

где geij - удельный эффективный расход

топлива i-м дизелем в j-м режиме работы МСУ, кг/(кВт-ч); NeiJ- эффективная

мощность i-го дизеля в j-м режиме работы МСУ, кВт; tj - время работы i-го дизеля в j-м режиме работы МСУ, ч; bt хх - расход

Nej > 0, b = 0, eij ’ i х.х 5 (3)

во втором случае

N.. = 0, b > 0. eij ’ i х.х (4)

Работа i-го дизеля в j-м работы МСУ режиме

N (5)

Удельный эффективный топлива i-го дизеля в j-м режиме МСУ расход работы

3600 ^ hej ■ QH ' (6)

где neiJ - эффективный КПД i-го дизеля в

j-м режиме работы МСУ.

С учетом (2)...(6) выражение (1) принимает вид:

ll n • <„)

h

МСУ

i=1 j=1

Q_

3600

(f

LL

V i=1 j=1

N

ej

vv hij

+ bi х.х

. (7)

J JJ

n m

t

ij

В каждый момент времени должно выполняться условие:

топлива i-м дизелем на холостом ходу, кг/ч.

В каждом j-м режиме работы МСУ i-й дизель может работать либо под нагрузкой, либо на холостом ходу. В первом случае выполняются условия

П

TNej = NjСУ , (8)

i=1

где Nj1^ - требуемая мощность силовой установки в j-м режиме ее работы, кВт.

2 Среднеэксплуатационный КПД многодизельного тепловоза

Под агрегатными мощностями следует понимать номинальные мощности многодизельной силовой установки отдельных дизелей, образующих

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/1

Общетехнические задачи и пути их решения

46

совместно силовую установку. Поскольку одна и та же номинальная мощность установки может достигаться при различном соотношении мощностей входящих в нее двигателей, актуальной является задача выбора рациональной компоновки МСУ.

Классический подход к постановке оптимизационной задачи включает следующую последовательность

действий:

1) определение характеристического критерия;

2) определение границ системы;

независимых

3) определение переменных;

4) построение модели системы.

Объективной характеристикой

эксплуатационной экономичности

тепловоза, учитывающей как

характеристики и режимы работы дизелей, так и особенности эксплуатационных режимов работы тепловоза, является

среднеэксплуатационный коэффициент полезного действия тепловоза. С учетом (7) среднеэксплуатационный КПД тепловоза с двухдизельной СУ определяется следующим образом:

h

МСУ

e

m

X (Ne1j + Ne2j ) ■ tj ■ Лим

j=1

f m f N N QP

'V + ^ ■(Ьхх +N. )

X

V j=1

helj he2j 3600

V 'elj

t.

J

J

(9)

где hnM - КПД передачи мощности

тепловоза в j-м режиме работы тепловоза.

Выражение (9) может быть принято в качестве характеристического критерия оптимальности компоновки

многодизельной силовой установки.

Следующим этапом постановки оптимизационной задачи является определение границ системы,

подлежащей оптимизации.

В данном случае такой системой являются дизельные двигатели

многодвигательной силовой установки и его электрическая передача мощности. Затраты мощности на привод вспомогательных агрегатов тепловоза считаются постоянными, не зависящими от суммарной мощности силовой установки и отдельных дизелей. Основанием для такого допущения является широкое применение на современных тепловозах электрического привода вспомогательных агрегатов с питанием их от бортовой сети

переменного тока с напряжением 220 или 380 В.

Мощности Ne1j и Ne 2j дизелей,

входящих в состав МСУ, в каждом j-м режиме МСУ могут выбираться независимо, но при этом должно выполняться условие:

N elj + Ne 2j = ^СУ, (10)

где N j - заданная мощность силовой

установки в j-м режиме, кВт.

Кроме того, вполне очевидными являются ограничения:

N elj £ NHOM; (11)

Ne2j £ К™. (12)

Эффективный коэффициент полезного действия каждого из дизелей является функцией его эффективной мощности, т. е.

he1j = f1(Ne1j ); (13)

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/1

Общетехнические задачи и пути их решения

47

he2j = f1(Ne2j )• (14)

Среднеэ ксплуатационный коэффициент полезного действия

электрической передачи мощности

тепловоза в j-м режиме его работы

определяется главным образом

мощностью силовой установки N^cy и

средним током 7^: тягового генератора в соответствующем режиме:

h„Mj = f3 (Njucy, /;р). os)

Значения мгновенных расходов

топлива на холостом ходу Ь1хх и Ь2хх

являются характеристиками дизелей и в ходе решения задачи могут рассматриваться как известные константы.

Учитывая условие (10), можно

принять в качестве независимых

переменных значения мощности одного из дизелей (в общем случае любого) в режимах 1...m, а критерий (11)

рассматривать как функцию m

переменных.

3 Объединенная система охлаждения многодизельной энергетической установки

Применительно к многодизельной энергетической установке возможен вариант объединения систем охлаждения дизелей, входящих состав силовой установки. Объединение систем охлаждения возможно путем объединения трубопроводов охлаждения всех дизелей МСУ.

В общем случае объединение систем охлаждения возможно как между контурами одного назначения, так и между контурами различного назначения. Таким образом, в случае двухконтурной 4

системы охлаждения двигателей

объединение систем охлаждения возможно между трубопроводами как первого, так и второго контура

охлаждения отдельно взятых двигателей.

В климатических условиях

Российской Федерации необходимо прогревать неработающие дизели тепловозов в эксплуатации. В случае МСУ данная задача может быть решена за счет объединения систем охлаждения.

4 Методика гидравлического и теплового расчета объединенной системы охлаждения

Определять расходы в объединенной системе охлаждения многодизельной энергетической установки предлагается в следующем порядке.

1. Составляются уравнения по двум сетевым законам Кирхгофа.

Первый сетевой закон Кирхгофа: сумма расходов в узле равна нулю, кг/с,

Z G = 0. (16)

Второй сетевой закон Кирхгофа: алгебраическая сумма потерь напора жидкости при обходе каждого контура гидравлической цепи равна нулю, м,

Z hi = 0. (17)

Второй закон записывается в зависимости от вида потерь (линейные, местные) для того, чтобы перейти от скоростей движения жидкости к ее расходам. Например:

1

L 1

D 2gp2f2

• G2 ±Z

22

2gp2f

1

• G2 = 0, (18)

где X - коэффициент трения по длине; Z -коэффициент местного сопротивления; D - внутренний диаметр трубопровода, м;

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/1

Общетехнические задачи и пути их решения

48

l - длина расчетного участка, м; р -

плотность жидкости, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с ; f - живое сечение для прохода жидкости (площадь трубы), м2.

2. Определяется напор и расход через насос с учетом режима работы дизеля.

Напор Н определяется с учетом параметров насоса, м:

Выражения (22)...(23) с учетом (20) можно записать в виде, м:

H

p2DKn2 ctgP2 •n _ G (19)

3600g 60bg

где Dк - диаметр рабочего колеса, м; b -приведенная ширина рабочего колеса насоса; n - частота вращения рабочего колеса насоса, определяется исходя из частоты, об/мин; р2 - характеристика лопасти рабочего колеса, угол между вектором относительной скорости жидкости и обратным продолжением вектора окружной скорости; G - расход жидкости через насос, кг/с.

3. Определяется скорость течения в трубопроводах с учетом геометрических размеров и принятых значений расходов, м/с:

и = ■

G

р-f

(20)

4. Определяется коэффициент трения по длине:

1 = (0,312/D0,226) • (1,9 • 10-6 + v/u )0,226. (21)

5. Определяются коэффициенты

гидравлического сопротивления S с учетом линейных и местных потерь напора участков системы охлаждения, м:

Л l и2 ■=х 1? V (22)

К =z f- 2g (23)

К 1D 2gp2f2' (24)

h z G2 “ Z2gp2f2' (25)

Суммарные потери напора

определяются суммой линейных и

местных потерь напора, м:

h = h + У h . 1 л м (26)

6. Формируется матрица

коэффициентов системы уравнений.

Известно, что каждый дизель имеет требуемый рабочий диапазон температур охлаждающей воды и масла как на выходе из дизеля, так и на входе в него. Данный диапазон определяется техническими характеристиками конкретного

дизельного двигателя. Таким образом, охлаждающая жидкость по объединенной системе охлаждения должна

циркулировать с требуемыми

температурами.

Температуры жидкости,

циркулирующей по объединенной системе охлаждения, определяются из уравнений теплопередачи и теплового баланса с учетом следующего допущения: теплопередача определяется исходя из внешних геометрических размеров узлов дизеля, через которые проходит

охлаждающая жидкость. При этом сами узлы при расчете величины теплопередачи рассматриваются как геометрические тела, форма, размер и материал которых аналогичны

геометрическим размерам и формам узлов реального дизеля.

Таким образом, при известной

величине теплопередачи неработающего дизеля или какого-либо элемента водяной системы в окружающую среду Q0XJ1 путем преобразований уравнения теплового

2

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/1

Общетехнические задачи и пути их решения

49

баланса получена формула для определения температуры охлаждающей жидкости Твых на выходе одного из неработающих дизелей или охлаждающих элементов, °С:

T = G • S • Твх - Q0

G • c,

(27)

где G - расход охлаждающей жидкости через неработающий дизель

(охлаждающий элемент), кг/с; ср - средняя

Заключение

Методика определения

среднеэксплуатационного КПД позволяет производить синтез и анализ режимов нагружения многодизельных

энергетических установок.

Результаты синтеза режимов нагружения позволяют определить оптимальную схему нагружения каждого варианта агрегатных мощностей МСУ с

Библиографический список

1. Энергетические установки подвижного состава / В. А. Кручек, В. В. Грачев, В. В. Крицкий. - М. : Академия, 2006. - 352 с. - ISBN 5-7695-2295-X.

2. Локомотивные энергетические

установки / А. И. Володин, В. З. Зюбанов, В. Д. Кузмич. - М. : Желдориздат, 2002. - 718 с. -ISBN 5-94069-029-7.

3. Оптимизация в технике. Т. 1 / Г.

Реклейтис, А. Рейвиндран, К. Рэгсдэл. - М. : Мир, 1986. - 320 с.

удельная теплоемкость охлаждающей жидкости, кДж/(кг°С); Твх- температура на входе в неработающий дизель (охлаждающий элемент),°С.

В результате дополнительного охлаждения жидкости снижается мощность на привод охлаждающего вентилятора. Это приводит к повышению среднеэксплуатационного КПД тепловоза, определяемого по формуле (9).

использованием стандартных методов теории оптимизации.

Объединенная система охлаждения многодизельной силовой установки позволяет поддерживать требуемое тепловое состояние дизелей и снижать мощность на привод охлаждающего вентилятора.

4. Системы жидкостного охлаждения быстроходных двигателей внутреннего сгорания / Р. М. Петриченко. - М. : Машиностроение, 1975. - 224 с.

5. Режимы работы тепловозов и пути повышения их топливной экономичности / Г. А. Фофанов, Э. А. Пахомов, А. А. Лосев // Вестник ВНИИЖТа. - 1983. - № 6. -С. 21-25.

6. Двусильная тяга / М. В. Балашкина // Гудок. - 2011. - № 34. - С. 1.

УДК 656.21

Ю. И. Ефименко, П. К. Рыбин, В. Н. Фоменко, Н. С. Комовкина

Петербургский государственный университет путей сообщения

АНАЛИЗ ИНТЕРВАЛОВ ПОСТУПЛЕНИЯ МАРШРУТИЗИРОВАННОГО И ^МАРШРУТИЗИРОВАННОГО ВАГОНОПОТОКОВ

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/1