Расчет оптимальных параметров силовой установки танка с двигателем постоянной мощности Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

машин. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2000. С. 192-196. ISBN 5-81490056-3.

17. Масягин В. Б. Метод расчета линейных технологических размеров на основе матричного представления графа // Технология машиностроения. 2004. № 2. С. 35-40.

ПРиМАк Дарья Дмитриевна, аспирантка кафедры

«Технология машиностроения».

Адрес для переписки: venenifer@yandex.ru

ВОлкОВ иван Александрович, аспирант кафедры «Технология машиностроения». Адрес для переписки: bki-omsk@rambler.ru МАсягин Василий Борисович, кандидат технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Технология машиностроения». Адрес для переписки: masyagin@omgtu.ru

статья поступила в редакцию 02.11.2017 г. © Д. Д. Примак, и. а. Волков, В. Б. Масягин

УДК 62-543.4

П. л. сенькин

н. и. ПРОКОПЕНКО л. м. СМИРНОВ

в. в. малый

Омский автобронетанковый инженерный институт, г. Омск

РАСЧЕТ оптимальных ПАРАМЕТРОВ силовой УСТАНОВКИ ТАНКА С ДВИГАТЕЛЕМ

постоянной мощности_

В статье рассчитаны оптимальные параметры силовой установки танка с двигателем постоянной мощности (ДПМ). Определены оптимальные сочетания давления наддува, коэффициента избытка воздуха, степени сжатия и степени повышения давления при сгорании топлива. Сделаны выводы и даны рекомендации по дальнейшему совершенствованию силовых установок с ДПМ. Ключевые слова: двигатель постоянной мощности, оптимальные параметры, коэффициент, диапазон, газотурбинный наддув.

Танки Т-72Б3, Т-90 и их модификации оснащены турбопоршневыми двигателями типа В-2, а именно В-92С2. Двигатель В-92С2 имеет газотурбинный наддув (ГТН), который, в свою очередь, предназначен для подачи в цилиндры двигателя воздуха с избыточным давлением, что позволяет увеличить мощность двигателя обеспечивать надежную работу в условиях высокогорья [1].

Повышение боевой эффективности бронетанковой техники (БТ) в значительной степени зависит от совершенствования и развития двигателя, влияние которого на боевые свойства существенно возросло. Повышение уровня боевых свойств объектов БТ в самой существенной мере зависит от энергетических, топливно-экономических и объемно-массовых показателей двигателя.

Влияние этих показателей на эффективность боевого использования танков проявляется в основном через параметры подвижности, защищенности и боеготовности.

Одними из направлений совершенствования турбопоршневых двигателей являются:

— повышение коэффициента приспособляемости К двигателя;

— корректирование скоростной характеристики двигателя.

При увеличении коэффициента приспособляемости Км двигателя улучшаются тяговые характеристики двигателя. Для тяговой характеристики двигателя необходимо увеличить величину крутящего момента при снижении оборотов коленчатого вала двигателя. Следовательно, будет получена внешняя характеристика с участком постоянной мощности (ДПМ).

Для работы силовой установки танка с двигателем постоянной мощности необходимо определить оптимальные параметры.

Известно, что для танкового дизеля с ГТН существует оптимальное сочетание давления наддува р, коэффициента избытка воздуха а, степени сжатия 8 и степени повышения давления при сгорании топлива X, которому соответствует наибольший эффективный КПД ц [2].

В этих работах были получены графические зависимости оптимальных параметров 8, рк, X от среднего эффективного давления ре без учета изменения механического КПД (при вариации перечисленных и постоянных в условиях р=const, максимальное давление сгорания р=ео№?) и наличия на впуске и выпуске значительных сопротивлений (Арв - 13 кПа, Дрг - 35 кПа), характерных для танковых дизелей.

Рис. 1. Зависимость оптимальной степени сжатия от приведенной величины среднего эффективного давления при Е =0,4: 1 — ре = 10 МПа; 2 — ре = 13 МПа; 3 — ре = 16 МПа; 4 — ре = 20 МПа; 5 — ТТ = 973 К; е 6 — ТТ = 1073 К; 7 — ТТ = 1173 К

Рис. 3. Зависимость оптимального коэффициента избытка воздуха от р (обозначение кривых см. рис. 1)

Рис. 2. Зависимость оптимальной степени повышения давления воздуха в компрессоре от ре (обозначение кривых см. рис. 1)

Рис. 4. Зависимость оптимальной степени повышения давления от ре (обозначение кривых см. рис. 1)

Проведена более строгая оптимизация параметров 4-тактных танковых дизелей с ГТН на максимальном режиме с упомянутыми сопротивлениями на впуске и выпуске при заданных ограничениях не только по рг, но и по температуре выпускных газов ТТ перед турбиной. Математически эта задача сводится к отысканию максимума функции Т|е = /(лк, а, 8, X, Ер), где Ер — глубина охлаждения воздуха при удовлетворении заданных граничных условий: р =const, р =р , Т = Т.

г е 1 г 1 г тах Т Т тах

Условия существования оптимальной совокупности параметров пк, а, 8, X, обеспечивающих получение требуемой величины ре при заданных рг и Ер с наибольшим эффективным КПД (наименьший удельный расход топлива де), в общем виде представлены в работе [3] системой уравнений с коэффициентами влияния а, 8, X на индикаторный КПД дизеля. В результате решения этой системы

с учетом поправок ANe и ANn, были найдены оптимальные совокупности Пк, a, s и X для каждого значения среднего эффективного давления, лежащего в диапазоне р =0,5 — 4 МПа при разных уровнях ограничительных параметров: pz= 10,13,16,20 МПа; ТТ=973,1073,1173 К; Е =0; 0,4; 0,8.

Т г г ' р г г г г

На основе всем известной методики по расчету современных дизельных двигателей [4], для удобства расчета оптимальных параметров дизеля с турбонаддувом были построены (рис. 1—5) графические зависимости оптимальных величин пк, a, s и X = f(pJ с изолиниями p=const, ТТ= const.

Для более полной характеристики цикла с оптимальными параметрами, кроме того, были оценены ожидаемые расходы топлива д. Эти графики позволяют решать задачи оптимизации параметров рабочего процесса танкового дизеля при самых разнообразных условиях его форсирования.

о

го >

Рис. 5. Зависимость потребной температуры воздуха 1к, охлаждающий наддувочный воздух перед компрессором относительной глубины охлаждения Ер и степени повышения давления воздуха в компрессоре: 1 — пк = 1; 2 — пк = 2;

3 — пк = 3; 4 — пк = 4; 5 — пк = 5; 6 — пк = 6; сплошная линия — п = 0,7; штриховая линия — п = 0,8

Применим эти графические зависимости к силовой установке танка с двигателем постоянной мощности (ДПМ). Для обеспечения бесперебойной работы двигателя постоянной мощности, учитывая показатели теплонапряженности двигателя, требуется обеспечить ре=1,42 МПа при рг= 13 МПа и ТТ=1073 К. Найдем совокупность параметров пк, а, 8 и X, обеспечивающую получение заданной величины ре с наибольшим эффективным КПД.

Для работы двигателя постоянной мощности необходимо охлаждать наддувочный воздух. В связи с этим были построены зависимости потребной температуры воздуха t, охлаждающий наддувочный воздух перед компрессором относительной глубины охлаждения Ер и степени повышения давления воздуха в компрессоре (рис. 5) [5].

На рис. 5 находим, что при ре =1,42 МПа и рг= 13 МПа для выполнения условия ТТ<1073 К необходимо иметь Ер~0,4 (точка А). Величина ре на рис. 1—4 есть среднее эффективное давление, приведенное к сопротивлению Арв =13 кПа.

Согласно рис. 2, оптимальная степень повышения давления наддувочного воздуха пк при этих данных составляет 3,2. Для достижения требуемой глубины охлаждения наддувочного воздуха Ер = 0,4 при п =3,2 потребуется температура воздуха tk = 90 °С при па=0,7. С помощью рис. 1 и 3 находим, что при ре = 1,42 МПа; рг= 13 МПа и Ер = 0,4 для достижения минимально возможного удельного расхода топлива рационально использовать степень сжатия в цилиндрах двигателя около 11 (точка А на рис. 1), при этом двигатель надо отрегулировать на степень повышения давления при сгорании Х-1,9 (рис. 4). При названных параметрах пк, X, 8 и принятых величинах рг и ТТ можно ожидать коэффициент избытка воздуха а =1,6 (рис. 3). В этом случае удельный расход топлива будет приблизительно равен 236 г/(кВт • ч) в объектовых условиях.

Для расчетных исследований турбопоршнево-го двигателя В-92С2 на ЭВМ приведенные номограммы необходимо аппроксимировать алгебраи-

ческими выражениями [5]. Оптимальная глубина охлаждения наддувочного воздуха АЕр может быть вычислена по формуле:

АЕр = D + Ере + Fp2, (1)

где Ь = (- 9,333 + 11,13 /г/1000) +

+ (7,51 - 7,51'Тг/1000)(р 2/10);

Е = (323,1341 - 29,45 ^/1000)-- (ИЗДТ4 - 17,122г/1000)(рг/Ш);

й = (- 14,42 + 13,28 /Г/1000) + + 18,49 - 7,89 / ОСЮ)^1! (0)).

При р-^И МПа 9го В2лич//а в расчетеД Е, и Р принимается 11 МП1.

Оптим4льнпй К3Э ффици3ня исп-льзования воздуха вьти-л-чтся 1ч;;! 2ыражеяия:

1

яЯс-

Пс + Оре- Ир)

(2)

вд е

П == (аЗЫ-0,1/2 ДЯр)-- (о.оыюгз - 0,0 0 О 2 C^гЭ10); О = |[0^8Ч51 ^.ыЯ.СЯ^ЧЭ )-- (2,=2ЯЗ - 0,126ИД1)(p)В10);

и - 00448 - 0,000 00Ия + Я,291ИДpР)-- (о,33607= - 0,546 АИр 4- 6,301ИДp1)Mиe10) + ь (0,0—4-4( - 0,4.-Иг + Я,1126ЯЛЧl)Л6,^о)2

Иавления яа0д-в0 Дро и стеяень иооыш6оия -ав-ления воздрса Дб- в чомгфесcopз, oиoимoиьлыe аля за-анюто ¡с п0® п-инс-ыи 05paли0яиияx, мог+т быть выражины:

яр*

ИРо =

Ш 9,я9-

Ал,

Роши

(3)

где

а = (36,- - 37,4 ИД1 +1 Ю,0 ШС) -

- -!- (4394 - 44,2 ИДП + 12,К ИД)); Исса) 2 И

Ь - 0-30-4.51 1---1-|а0,1Я—

—— в )0с—5

Лр, ив — кия ффрци4Н3ы по юж! тя ПОЛИ ого дая-е-ия во впускной системе двигателя (для Арв =13 кПа ¡-(Якет 0,87) и в охладителе наддувочного воздуха (для Ар =04 сПч цoв сн 0r72(t!:

Оптимальная степень сжяаия и стя—еяса повышения давления ирр сгорании аппроксимирована формулам!-

(4)

(5)

Ае-К + С!-^ - 9,59 ^

,яРк

я-

Р)

яРк

0,95 яе1,

34

В случае отличия ожидаемых значений Арв = = 3 кПа и Дрг = 35 кПа заданные величины ре, р^ ТТ пересчитываются на новые значения по специальным формулам приведения. Приведенные аппроксимирующие формулы для расчета ДХ, Де, Да, Дрк определяют значения при максимальной частоте вращения коленчатого вала. Если за расчетный режим, на котором производится оптимизация параметров, принять режим двигателя с частотой вращения n<n , то заданные на том режиме величины ре и ТТ необходимо пересчитать на частоту nmax, с тем чтобы можно было воспользоваться кривыми и формулами, полученными в данном разделе. Такой пересчет производится также с помощью коэффициентов приведения.

Выводы. Данные расчеты позволили определить оптимальные параметры работы силовой установки танка с двигателем постоянной мощности на примере турбопоршневого двигателя В-92С2. Анализируя приведенные графики и выражения можно отметить следующее:

— повышение среднего эффективного давления ре на режиме максимального крутящего момента вызывает необходимость увеличения давления наддува и подачи топлива. Поэтому диапазон частоты вращения, при котором максимальная мощность сохраняется постоянной, обычно не выходит за пределы 25 — 30 %, т. е. коэффициент приспособляемости К составляет 1,35—1,45;

М irr

— при обеспечении коэффициента избытка воздуха а=15—16 при работе ДПМ на внешней скоростной характеристике его эффективный КПД Пе будет больше, а удельный расход топлива g меньше, чем на работе на номинальном режиме. В этих условиях теплонапряженность деталей цилиндро-поршневой группы на режимах пониженных частот вращения вала ДМП будет меньше, чем на режиме номинальной частоты вращения;

— при пк= 1,8—1,9 температура воздуха tk, выходящего из компрессора, превышает 100 °С, что снижает плотность наддувочного воздуха. Следовательно, необходимо охлаждать наддувочный воздух, например, использовать систему питания воздухом комбинированного двигателя с глубоким охлаждением [6];

— оптимальная степень повышения давления ДПМ при сгорании для широкого диапазона изменения ре, р^ ТТ колеблется в сравнительно узких пределах X =1,7 — 2,0.

Библиографический список

1. Георгиевский О. Н. Распределение режимов работы танкового двигателя // ВБТ. 1973. № 3. С. 29 — 30.

2. Брякотин М. Э. Применение волнового наддува на двигателе постоянной мощности // Совершенствование быстроходных двигателей: тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. / АлтГТУ им. И. И. Ползунова. Барнаул, 1993. С.41—45.

3. Колчин А. И., Демидов В. П. Расчет автомобильных и автотракторных двигателей. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Высш. шк., 2003. 496 с.

4. Кутьков Г. М. Тяговая динамика тракторов. М.: Машиностроение, 1980. 215 с.

5. Силовые установки вооружения и военной техники / Под ред. С. Н. Богданова. М.: ВА БТВ, 1994. 494 с.

6. Пат. 168451 Российская Федерация, Б 02 В 29/04, Б 02 М 31/20, Б 02 В 37/013. Система питания воздухом комбинированного двигателя с глубоким охлаждением / Терещенко Е. С., Терещенко И. Е., Шабалин Д. В. [и др.]. № 2016110630; заявл. 22.03.16; опубл. 02.02.17, Бюл. № 4.

СЕНЬКИН Петр Александрович, адъюнкт кафедры двигателей.

Адрес для переписки: senkinpetr@mail.ru ПРОКОПЕНКО Николай Иванович, кандидат технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры двигателей.

Адрес для переписки: siriusMik@gmail.ru СМИРНОВ Антон Михайлович, кандидат технических наук, преподаватель кафедры двигателей. Адрес для переписки: smirnoff287sam@mail.ru МАЛЫЙ Виталий Викторович, кандидат технических наук, заместитель начальника кафедры двигателей.

Адрес для переписки: malliy@yandex.ru

Статья поступила в редакцию 07.11.2017 г. © П. А. Сенькин, Н. И. Прокопенко, А. М. Смирнов, В. В. Малый