CC BY
102
УДК 621. 436. 052
С. Н. Орехов, К. Ю. П е р о в
УЛУЧШЕНИЕ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ СУДОВОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМАХ ПРИ УВЕЛИЧЕНИИ МАКСИМАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ЦИКЛА
Исследованы возможности улучшения эксплуатационных характеристик судового дизеля с наддувом при повышении предельного значения максимального давления цикла. В качестве объекта численного эксперимента выбран двигатель 16ЧН26/26 производства ОАО "Коломенский завод". E-mail: epress@bmstu.ru Ключевые слова: двигатель, характеристики, максимальное давление цикла, математическое моделирование, воздухоснабжение (наддув).
Одним из способов улучшения топливной экономичности двигателя при сохранении требований, предъявляемых к надежности, является повышение уровня максимального давления при сгорании pmax. Согласно известным данным многие мировые производители двигателей уже заявили о создании дизелей с высоким наддувом, c pmax = 19 МПа и более (например двигатель модели W64 фирмы Wartsila) [1].
Назначение и условия эксплуатации судна определяют требования к виду характеристики двигателя. Отличительной особенностью судового дизеля 16ЧН 26/26 (номинальная частота вращения коленчатого вала n = 1000 об/мин, среднее эффективное давление ре = 1,88 МПа — без системы управления турбонаддувом, ре = 2,1 МПа — с системой) является заданная заказчиком высокая ограничительная характеристика в области пониженных частот вращения коленчатого вала. Такие требования обусловлены условиями работы двигателя во время маневрирования, реверсирования и швартовки корабля. Испытания дизеля проводились с уровнем pmax = 15,2 МПа (ограничение составляет Pmax = 15,5 МПа).
Разработанная регистровая система наддува (СН) позволяет за счет отключения одного из турбокомпрессоров (ТК) на режимах низких частот вращения коленчатого вала реализовать высокое значение ре [2, 3]. При этом все выпускные газы проходят через одну турбину, а проходное сечение соплового аппарата получается в 2 раза меньше, чем суммарное при работе двигателя с двумя ТК. При этом располагаемый теплоперепад на неотключаемой турбине увеличивается, что позволяет повысить мощность турбины и давление наддува. Прирост давления наддува при частоте вращения коленчатого вала двигателя n = 740 об/мин и работе по винтовой характеристике составил 57%. Для повышения располагаемого теплоперепада на неотключае-мой турбине и обеспечения требуемой мощности двигателя на низких
частотах вращения коленчатого вала площадь соплового аппарата турбины неотключаемого ТК была уменьшена на 20% по сравнению с базовой. Однако такая настройка системы воздухоснабжения не позволила реализовать заданную по техническим условиям ограничительную характеристику во всем диапазоне частоты вращения: так, при n = 650 ... 750 об/мин ограничивающим параметром была температура газов на входе в турбину, при n = 750 ... 800 об/мин — неустойчивая работа компрессора, а при n > 800 об/мин появилось ограничение по
pmax.
Применение ТК фирмы АВВ с повышенным в сравнении с базовыми турбокомпрессорами КПД и перепуск воздуха из компрессора на вход в турбину позволили снизить температуру газов за цилиндрами и отодвинуть режимную точку работы компрессора от границы области неустойчивой работы, что позволило увеличить мощность дизеля на 420... 1055 кВт.
Для выполнения ограничений по pmax и частоте вращения ротора ТК на режимах, близких к номинальному, на двигатель была установлена и система перепуска газа, позволяющая за счет выпуска части газа из полости перед турбиной в атмосферу ограничить обороты ротора ТК и, соответственно, давление наддува pint. Следствием этого было выполнение ограничения pmax. Используемая на двигателе СН с регулирующими устройствами обеспечивает требуемую характеристику при одновременном выполнении ограничений.
Средства регулирования усложняют конструкцию и повышают цену дизеля, к тому же в области номинальной мощности при использовании выпуска газа минуя турбину несколько увеличивается расход топлива. Поэтому задача численного эксперимента заключается в рассмотрении возможностей воздействия на эксплуатационные характеристики двигателя повышением предельного значения максимального давления цикла до pmax = 16,5 МПа с учетом опыта создания дизелей с таким значением pmax в ОАО "Коломенский завод".
Численный эксперимент выполнен с использованием программы VIS, разработанной на кафедре поршневых двигателей МГТУ им. Н.Э. Баумана [4]. Программа выполняет моделирование действительных термодинамических процессов в цилиндре ДВС, в турбине и компрессоре, во впускной и выпускной системах.
Программа была идентифицирована для конкретного двигателя и обеспечивает хорошую сходимость результатов моделирования с результатами испытаний в исследуемой области (рис. 1).
Для улучшения показателей двигателя при ограничении максимального давления сгорания рассмотрены следующие способы:
— оптимизация угла опережения впрыска топлива;
— уменьшение количества выпускаемого газа за турбину для ограничения давления наддува и частоты вращения ротора ТК;
Рис. 1. Зависимость удельного эффективного расхода топлива Ь и максимального давления цикла pmax от частоты вращения двигателя п
— увеличение степени сжатия двигателя (без изменения характеристики СН);
— изменение характеристики СН (при постоянной степени сжатия двигателя).
По результатам моделирования на номинальном режиме для Ртах = 15,5 МПа определен оптимальный (по условию минимального расхода топлива) угол опережения впрыска топлива ^ = 20о. Угол ^ = 20о установлен на двигателе.
На основе испытания двигателя по нагрузочной характеристике п = 1000 об/мин при его работе без перепуска газа линию тренда Р%т = / (Р) экстраполированием (не более чем на 10%) продлили до значения мощности 3800кВт (рис.2). Полученное значение давления наддува составляет = 360 кПа, а частота вращения ротора превышает 40000 об/мин, что не допустимо для ТК, установленных на двигателе. Поэтому для реализации этих параметров необходимы ТК, с максимальной частотой вращения более 41000 об/мин.
Результаты компьютерного моделирования показали, что расход топлива на режиме полной мощности снизился на 3,3г/(кВт•ч), коэффициент избытка воздуха а выше исходного на 11,8 %, а температура газа перед турбиной снизилась с 910 до 902 К. Улучшение параметров двигателя произошло за счет увеличения и за счет отсутствия потерь располагаемого теплоперепада от перепуска газа за турбину. Тем
Рис.2. Зависимость частоты вращения птк и давления наддува рк от мощности двигателя Nе при работе двигателя по нагрузочной характеристике (1000 мин-1)
не менее от перепуска газа за турбину лучше не отказываться, сохранив его в качестве способа, позволяющего в определенных ситуациях с учетом ограничений параметров снизить давление наддува и частоту вращения турбокомпрессора.
В результате численного эксперимента на режиме максимальной мощности (без перепуска газа) ре = 3460 кВт при п = 1000 об/мин получено, что при ограничении ртах = 16,5 МПа можно повысить степень сжатия с г = 13,5 до г = 14,7. Моделирование рабочего цикла с г = 14,7 выполнены для следующих частот вращения п = 1000, 870, 740 и 600 об/мин при работе двигателя по винтовой характеристике. Результаты приведены в таблице. Из представленных данных следует, что за счет повышения индикаторного КПД цикла на всех режимах имеет место улучшение расхода топлива.
Таблица
Топливная экономичность двигателя с различной степенью сжатия
п, об/мин
1000
870
740
600
b, г/(кВт-ч)
£ = 13, 5
213,9
209,5
218,9
215,1
£ = 14, 7
212,2
206,9
215,
212,
Для повышения давления наддува необходимо уменьшать площадь соплового аппарата турбины. Из тех же соображений, как и в предыдущем случае, для достижения ртах = 16,5 МПа давление наддува
b, г / (кВт • ч) 220 218 216 214 212 210 208 206 204 202 200
600 740 870 1000 п, мин 1
[888Я Стандартная Скорректированная
настройка настройка
Рис.3. Зависимость удельного эффективного расхода топлива от частоты вращения двигателя при различных настройках турбокомпрессора
необходимо повысить до значения pint = 360 кПа. В качестве расчетного выбран режим n = 1000 об/мин и ре = 3800 кВт. Также выполнен численный эксперимент на режимах работы двигателя по винтовой характеристике при n = 870, 740 и 600 мин-1. При этом давление наддува принято примерно на 8 % выше, чем со стандартной СН. Как видно на рис. 3, повышение давления наддува приводит к заметному снижению расхода топлива на всех исследованных режимах работы двигателя.
На рис. 4 приведена зависимость удельного эффективного расхода топлива от частоты вращения n (n = 600 ... 870 об/мин) при работе двигателя по винтовой характеристике, а при n = 1000 об/мин — максимальная мощность без перепуска газа. На рис. 4 отображены три зависимости: стандартное исполнение (1), повышенная степень сжатия г = 14,7 (2) и измененная характеристика ТК (3). Как видно из рис. 4, наибольшее улучшение топливной экономичности наблюдается при применении варианта с измененной СН (кривая 3). При этом, как показали расчеты, температура газов перед турбиной Тд 1 на 32 ... 101° ниже, в сравнении с серийной комплектацией двигателя, и на 13... 80° ниже, чем при г = 14,7.
Ь,т / (кВт • ч) 220,-
2001----
600 700 800 900 п, мин-1
Рис. 4. Зависимость удельного эффективного расхода топлива Ь от частоты вращения коленчатого вала двигателя при работе на исследованных режимах
Из изложенного можно сделать следующие выводы.
1. Повышение максимального давления цикла позволяет увеличить общую степень сжатия с е0 = 44 до е0 = 48, а следовательно, степень сжатия в цилиндре двигателя с е = 13,5 до е = 14,7 и давление наддува с рк = 0,33 МПа до рк = 0,36 МПа. Эти мероприятия, как показал численный эксперимент, позволяют улучшить топливную экономичность двигателя.
2. Повышение максимального давления сгорания с pmax = 15,5 МПа до pmax = 16,5 МПа позволяет исключить необходимый для выполнения ограничения pmax ^ 15,5 МПа перепуск газа.
3. Уменьшение площади соплового аппарата приводит к увеличению мощности турбины. При этом улучшается воздухоснабжение двигателя, коэффициент избытка воздуха становится ближе к оптимальному (аопт = 2,3 ... 2,5). Это приводит к снижению удельного эффективного расхода топлива на 3,4... 9,2 г/(кВт-ч) и температуры газов перед турбиной на 32... 101 K в сравнении с базовой комплектацией двигателя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. К о н к с Г. Н., Л а ш к о В. А. Мировое судовое дизелестроение. Концепции конструирования, анализ международного опыта. - М.: Машиностроение, 2005.
2. Рыжов В. А., П е р о в К. Ю. Расширение области работы четырехтактного дизеля средствами систем турбонаддува // Двигателестроение. - 2003. - № 4. -С. 34-36.
3. П е р о в К. Ю., Харитонов А. А., Кнельц В. Ф. Развитие средств и систем воздухоснабжения дизелей // Тяжелое машиностроение. - 2002. - № 9. - С. 24-27.
4. ИващенкоН. А., И в и н В. И. Термодинамическая оптимизация двигателя внутреннего сгорания в курсовых и дипломных работах и проектах. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. - 32 с.
Статья поступила в редакцию 9.04.2009
Сергей Николаевич Орехов родился в 1984 г. окончил Московский государственный открытый университет. Инженер-конструктор ОАО "Коломенский завод", аспирант МГТУ им. Н.Э. Баумана. Специализируется в области исследований характеристик ДВС и разработки агрегатов воздухоснабжения.
S.N. Orekhov (b. 1984) graduated from the Moscow State Technical University. Engineer-constructor of the joint stock company "Kolomenskii zavod", post-graduate of the Bauman Moscow State Technical University. Specializes in the field of investigations of characteristics of internal combustion engines and development of the air supply aggregates.
Константин Юрьевич Перов родился в 1953 г., окончил МГТУ им. Н.Э. Баумана в 1980 г. Канд. техн. наук, зам. главного конструктора ОАО "Коломенский завод". Специалист в области исследований характеристик ДВС и разработки агрегатов воздухоснабжения.
K.Yu. Perov (b. 1953) graduated from the Bauman Moscow Higher Technical School in 1980. Ph. D. (Eng.), deputy general designer of the joint stock company "Kolomenskii zavod". Specializes in the field of investigations of characteristics of internal combustion engines and development of the air supply aggregates.
