книги из ГПНТБ / Неустановившиеся режимы поршневых и газотурбинных двигателей автотракторного типа

23. О диагностике агрегатов турбонаддува и системы смазки

Принцип определения продолжительности выбега может быть использован при безразборной проверке легкости вращения ро­ тора турбокомпрессора двигателя с турбонаддувом.

В практике эксплуатации двигателей, имеющих в системе смазки реактивную масляную центрифугу, подвижность ротора последней рекомендуется проверять по продолжительности выбега (по шуму) после остановки прогретого двигателя. Ротор центри­ фуги должен вращаться по инерции с постепенно затухающим шумом, например, не менее 40 с для двигателя СМД-64. Следует иметь в виду, что на точности такой проверки сказываются отло­ жения, достигающие'толщины 10— 20 мм и более и изменяющие величину приведенного момента инерции ротора центрифуги. Кроме того, слышимость шума в тракторных центрифугах при нормальном состоянии часто прекращается менее чем за 30 с. Более правильное представление о техническом состоянии цен­ трифуги (состояние форсунок, подшипниковых узлов, правиль­ ность монтажа и др.) можно получить путем приборного измере­ ния числа оборотов в рабочем состоянии и продолжительности выбега. Для этих целей в Ленинградском СХИ разработан метод, основанный на измерении числа оборотов с помощью электро­ магнитного преобразователя. Для формирования импульсов на уровне торцовой поверхности ротора монтируются два симме­ трично расположенных (для уравновешенности) стальных эле­ мента.

24. К использованию переходных режимов при виброакустической диагностике поршневых колец

Давление поршневых колец на стенку цилиндра, возникающее от их собственной упругости, является одной из основных харак­ теристик их работоспособности. В процессе эксплуатации износ поверхностей трения и изменение свойств материала приводит к уменьшению собственных сил упругости колец и 'понижению радиального давления. В условиях прокручивания декомпресси­ рованного двигателя поперечная перекладка поршня будет воз­ можна при определенном соотношении боковой (перпендикуляр­ ной к оси цилиндра) силы, зависящей от осевых сил инерции и веса поршневого комплекта, с одной стороны, и поперечных сил трения поршневых колец в канавках, трения в верхней и нижней головке шатуна — с другой. При изношенных кольцах • умень­ шается сила трения колец о зеркало цилиндра и соответственно уменьшается поперечная сила трения колец в поршневых канав­ ках. В атом случае вследствие уменьшения поперечной силы тре­ ния колец перекладка поршня и удар его о стенку цилиндра будут происходить при меньшей частоте вращения двигателя, чем при

100

новых кольцах. Диагностика технического состояния поршневых колец сводится к следующему. Прокручиваемый декомпрессиро­ ванный двигатель вводится в переходный режим медленного увеличения числа оборотов. В это время с помощью виброакустической аппаратуры с фазовой селекцией сигнала ведется наблюдение вибрации стенки блока цилиндров. В момент возник­ новения перекладки и появления удара поршня, что вызывает быстрое нарастание энергии вибрации, фиксируется число обо­ ротов двигателя, которое и является диагностическим параметром технического состояния поршневых колец. Декомпрессирование цилиндров производится с целью уменьшения помех со сторон непроверяемых сопряжений и более эффективного выявления полезного виброакустического сигнала.

Рассмотрим взаимосвязи минимального числа оборотов про­ кручиваемого декомпрессированного двигателя, при котором воз­ можна перекладка поршня, и показателей, характеризующих боковую силу Nn в момент перекладки и поперечную силу трения колец в поршневых канавках (без учета трения в головках ша­ туна) FKn.

Осевая сила поршневого комплекта цилиндра

Р = mnm 2(cos ср + Хкcos 2ф) ± Gn,

где тп — масса поступательно движущихся деталей поршневого комплекта одного цилиндра; со — угловая скорость коленчатого вала; ср — угол поворота кривошипа; Gn — вес поступательно движущихся масс (прибавляется, когда сила Р направлена в сто­ рону коленчатого вала); Хк — отношение радиуса кривошипа г

кдлине шатуна I. Боковая сила

N = Р tg р = [тпгсо2 (cos ф + К cos 2Ф) ± GJ

Таким образом, при прокручивании декомпрессированного двигателя

101

Построением графика N = f (ф) за один оборот коленчатого вала можно определить экстремальные значения N n для конкрет­ ного двигателя и соответствующие им значения срп в момент по­ явления перекладки. Для тракторных двигателей, прокручивае­ мых с декомпрессией, перекладка поршня за один оборот колен­ чатого вала возможна четыре раза (два удара по правой стороне и два — по левой стороне гильзы). Значения фп, соответствующие началу перекладки, составляют приблизительно ,40, 120, 240

и320° (угол отсчитывается от в. м. т. коленчатого вала). Давление поршневого компрессионного кольца на стенку

цилиндра от сил собственной упругости определяется выраже­ нием [14]

где А — зазор в замке кольца в свободном состоянии в см; тп — радиальный износ поршневого кольца в см; Е — модуль упру­ гости поршневого кольца в кгс/см2; D — диаметр цилиндра в см; t — радиальная толщина поршневого кольца в см.

В процессе эксплуатации величина тп увеличивается от нуля до предельно допустимого значения, а величина Е, как показали исследования, уменьшается. Все это приводит к сравнительно

колец; iM— число маслосъемных колец; £ — отношение давления масляных колец к давлению компрессионных колец.

Поперечная сила трения поршневых колец в канавках, пре­ пятствующая перекладке поршня, равна

^П. к ^К. оР = к (^'к £1м)>

где р, — коэффициент трения колец в поршневых канавках при перекладке поршня.

Минимальное значение частоты вращения коленчатого вала, прокручиваемого с декомпрессией двигателя ппт1п, при котором

при этом угол фп имеет определенные значения, полученные по графику N = f (ф).

102

Г л а в а V11

РАБОТА ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА НЕУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ

25. Особенности работы газотурбинных двигателей на неустановившихся режимах

Работа газотурбинных двигателей в автотракторных режимах в отличие от поршневых двигателей сопровождается рядом спе­ цифических особенностей. Это объясняется различием термодина­ мических циклов, конструкций двигателей, значений термодиначеских параметров в узловых точках цикла, путей организации рабочего процесса и подготовки рабочего тела, характера транс­ формации тепловой энергии в механическую.

Формирование неустановившихся режимов у поршневых и газотурбинных двигателей (за небольшим исключением) неиден­ тично. Действительно, у транспортных поршневых двигателей трогание с места связано с перемещением педали привода сектора газа и с неопределенностью изменения скоростного режима, за­ висящего от темпа и момента включения муфты, степени открытия дросселя и момента сопротивления. Трогание с места тракторов на большинстве видов работ связано с понижением частоты вра­ щения коленчатого вала двигателя при включении муфты с после­ дующим возрастанием ее и одновременным увеличением скорости движения агрегата.

У одновальных газотурбинных двигателей, которые, как пра­ вило, в настоящее время для блокировки ведущего и ведомого валов редуктора имеют гидромуфту, процессу трогания в боль­ шинстве случаев предшествует интенсивный рост частоты враще­ ния ротора турбины, продолжающийся и в период блокировки. Этому способствуют момент блокировки ведомого и ведущего валов редуктора, который обычно выбирается так, чтобы ротор турбокомпрессора имел максимальное ускорение, что достигается в период разгона его при частоте вращения, равной 83—87% от номинальной, а также возможность пробуксовки ведомой и ведущей частей гидромуфты в период ее включения.

у одновального ГТД происходит увеличение частоты вращения валов двигателей и скоростей движения агрегата.

У двухвальных ГТД обычных схем, у которых валы компрес­ сорной и тяговой турбин имеют только газодинамическую связь,

104

трогание с места сопровождается одновременным увеличением частоты вращения как турбокомпрессорного блока, так и тяговой турбины. Причем частота вращения турбокомпрессора растет в несколько раз интенсивнее, чем тяговой турбины. Как у порш­ невых, так и у газотурбинных двигателей неустановившиеся ре­ жимы не заканчиваются со стабилизацией положения органа, регулирующего подачу топлива или смеси, а продолжаются во времени. Как показывают результаты экспериментальных иссле­ дований поршневых и одновального газотурбинного двигателей, параметры рабочего тела, экономика и динамика фазы неустановившегося режима, следующей за стабилизацией положения регулирующего органа, существенно зависят от фазы неустановившегося режима в период перемещения регулирующего органа.

По-иному обстоит дело при работе на неустановившемся ре­ жиме двухвального двигателя. Поскольку в этом типе двигателя турбокомпрессор, по существу, является генератором рабочего тела для тяговой турбины, то, как показывают исследования, влияние момента сопротивления, скоростного режима тяговой турбины и теплового состояния двигателя на первую фазу неустановившегося режима незначительно по сравнению с поршневыми

иодновальными двигателями.

Укарбюраторных двигателей режим разгона сопровождается увеличением количества подаваемой в цилиндры топливно-воз­ душной смеси; в дизелях и газотурбинных двигателях разгон начинается с увеличения подачи топлива при практически преж­ ней в первый момент времени частоте вращения, а значит, при прежнем количестве воздуха. Действительно, как показывают результаты эксперимента, благодаря инерции ротора турбоком­ прессора и приводимых от него агрегатов, а также инерции массы воздуха, находящейся в период разгона в тракте, через 1 с после начала разгона газотурбинного двигателя в тракторном режиме

а расход воздуха — только на 2—3%. При разгоне в автомобиль­ ных режимах эти величины соответственно составляют 17—35 и 3—5%, следствием чего является значительный рост темпера­ туры перед ступенью турбины. В частности, через 1 с после начала разгона температура перед ступенью повышается по сравнению с исходным режимом на 3—3,5% при разгоне ГТД в тракторном режиме и на 9—20% при разгоне в автомобильном режиме.

Нарушение соотношения между расходом топлива и воздуха приводит к обогащению смеси и нарушению процессов, имевших место в камере сгорания на исходном режиме. В результате растет количество вредных составляющих в продуктах сгорания и, в пер­ вую очередь, СО, СН, N 0 2 и S 02. Тем не менее количество ток­ сичных веществ, выбрасываемых с отработавшими газами, у газо­ турбинных двигателей в несколько раз меньше, чем у поршневых. В работе [6 6 ] проведено сравнение различных видов транспорт­

105

ных средств с различными двигателями в характерных для них условиях эксплуатации по степени загрязнения атмосферы токсич­ ными составляющими отработавших газов. Исследованию и сравне­ нию подвергались городские автобусы с дизельным и газотурбин­ ным двигателями. Изучались два характерных цикла работы. Цикл I (транзитный) включал частые остановки в центре города, сочетающиеся с экспрессным движением на окраинах. Цикл II включал работу в центре города с большим количеством остановок (особенно в часы пик). Цикл I занимал 172 с при средней скорости 33,6 км/ч и среднем расстоянии между остановками 1,6 км. Цикл II занимал 91,4 с при средней скорости 18 км/ч и расстоянии между остановками 0,46 км.

На основании испытаний для каждого цикла работы автобуса с дизелем и автобуса с ГТД получены данные (на одну транспорт­ ную единицу), характеризующие степень загрязнения атмосферы тремя основными токсичными составляющими отработавших га­

В указанной работе приводится изменение эмиссии токсичных веществ для одного из городов США при переводе 10% пассажироперевозок с автомобилей с карбюраторными двигателями на авто­ бусы с ГТД. Сравнение автомобилей, удовлетворяющих требова­ ниям стандарта 1975 г. на отработавшие газы,и автобусов с ГТД показывает, что в день эмиссия СО при этом снижается на 7%,

СН — на 13% и N 0 2— на 4%.

Таким образом, для газотурбинных двигателей при эксплуата­ ции их в автомобильных режимах является характерным умень­ шение токсичности отработавших газов по сравнению с поршне­ выми двигателями.

Неустановившиеся режимы в процессе движения как у порш­ невых, так и у газотурбинных двигателей в зависимости от конк­ ретных условий эксплуатации сопровождаются уменьшением или увеличением частоты вращения вала двигателя, нагрузки и тепло­ вого состояния. Причем у газотурбинных двигателей^пределы изменения частоты вращения ротора при этом значительно больше,

106

чём у поршневых. Это является одной из причин, по которой угловые ускорения роторов турбокомпрессоров и тяговой тур­ бины в ГТД на режимах разгона значительно больше, чем у порш­ невых двигателей. Так, если в поршневых двигателях максималь­ ные угловые ускорения редко превышали 45—50 1/с2, то в газо­ турбинных они доходили др 350 1/с2. На сообщение таких ускоре­ ний в газотурбинных двигателях тратится 9— 12% мощности от значения ее на установившемся режиме.

Тепловое состояние газотурбинных двигателей оказывает зна­ чительно меньшее влияние на параметры эффективности и эконо­ мичности на неустановившихся режимах, чем в поршневых дви­ гателях. Однако резкое увеличение подвода тепла в период раз­ гона как у поршневых, так и у газотурбинных двигателей, вызы­ вает дополнительные тепловые нагрузки на детали цилиндропоршневой группы, сопловые и особенно рабочие лопатки турбин. Причем температуры поршней (в завершающей стадии разгонов) и рабочих лопаток турбин часто достигают или близки к предель­ ным значениям для данного материала. Кратковременность воз­ действия направленного теплового потока, сопровождаемая не­ равномерностью температур, вызывает повышенные температур­ ные градиенты. При разгонах одновального ГТД в режимах автомобильного двигателя неравномерность температур в про­ дольном и радиальном направлениях рабочей лопатки через 3 с после начала разгона вызывает по данным исследований напря­ жения на кромке корневого сечения, превышающие 1000 кгс/см2. Между тем многократное воздействие термических напряжений при разгонах вызывает снижение характеристик длительной прочности материала деталей, что оказывает существенное влия­ ние на надежность и долговечность.

Наиболее характерный вид неустановившихся режимов — разгоны сопровождаются увеличением шума. Специальными иссле­ дованиями [631 установлено, что шум, производимый транспорт­ ными средствами с двигателями внутреннего сгорания, доминирует над прочими шумами; при этом половина жалоб на неприятные ощущения приходится на период разгона транспортных средств.

Следует отметить, что разложение составляющих шума на спектры показывает, что шум у ГТД ниже, чем у дизелей, а его составляющие менее вредно действуют на окружающих.

26. Закономерности изменения факторов, определяющих тепловыделение в камере сгорания газотурбинного двигателя при разгоне

При исследованиях особое внимание уделяется наиболее распространенному и характерному виду неустановившихся ре­ жимов — разгону. На рис. 63 приведена осциллограмма разгона одновального ГТД применительно к автотракторным двигателям. На ней представлены результаты регистрации параметров

107

рабочего тела в трех точках осесимметричного сечения (приемники устанавливались под углом 120°) перед рабочим колесом турбины

(полное р*г и статическое ри давление и температура Tir), ча­ стоты вращения и угловой скорости вала электротормоза (п3, юэ), крутящего момента (Мкр), хода плунжера топливного на­ соса-регулятора ТНР-ЗМ (hnJ , времени открытия проходного сечения топливного крана от исходного до полного (tKP). Подоб­ ные осциллограммы получались и на остальных трех осцилло­ графах, где регистрировались практически мгновенные значения

OJc

Рис. 63. Осциллограмма разгона ГТД в режимах автотракторного двигателя

параметров воздуха, топлива, газа, расходы топлива и воздуха, частота вращения ротора турбины и другие величины в сечениях перед компрессором, за ним, на выходе из камеры сгорания и за ступенью турбины.

Аналогично велась регистрация результатов эксперименталь­ ного исследования двухвальноГо ГТД. При этом дополнительно регистрировались параметры воздуха за осевыми ступенями компрессора, параметры газа между ступенями тяговой турбины и на входе в рабочие лопатки тяговой турбины, а также раздельно частота вращения турбокомпрессора и тяговой турбины. Таким образом, данные одного. разгона регистрировались на четыре осциллограммы.

Результаты обработки осциллограмм и положены в основу рассматриваемых ниже закономерностей изменения основных показателей работы двигателя и параметров воздушно-газового потока применительно к исходным нагрузочным и скоростным режимам автомобильных и тракторных двигателей. Анализ ука­ занных закономерностей проведем в соответствии с последова­ тельностью причин, вызывающих эти изменения.

108

До начала разгона двигатель работает на исходном установив­ шемся режиме, характеризуемом определенными частотой вра­ щения, нагрузкой на тормозе и температурой перед ступенью. Затем автоматически с различной скоростью приводится в дей­ ствие устройство, регулирующее подачу топлива в камеру путем открытия проходного сечения топливного крана от исходного до полного. Причем время полного открытия топливного крана /кр в экспериментах принято в качестве одной из обобщенных харак­ теристик топливоподачи. Это время составляло 2, 5, 7, 10 и 13 с.

Ниже излагаются результаты исследования разгонов одновального ГТД при исходной приведенной частоте вращения

Рис. 64. Изменение относительного часового расхода топлива при разгонах с различной скоростью открытия топливного крана при исходной частоте вращения 23 000 об/мин:

53 и 75% от номинальной. Черта над параметром означает, что берется его относительное значение, под которым понимают отно­ шение текущего значения к значению на номинальном режиме. Параметры приведены к нормальным условиям, на что указывает индекс пр. Исходная температура перед ступенью при нагрузке в 2 0 % составляла 1020 К, а при исходной нагрузке в 32% — 1090 К.

Открытие крана вызывает увеличение подачи топлива в ка­ меру сгорания и тем интенсивнее, чем больше скорость открытия. Экспериментальные закономерности изменения относительного

часового расхода топлива GT — / (t) в двигателе при работе его на режимах разгона в названных выше условиях приведены на рис. 64.

109