1.9. Основные компоновочные схемы дизельных
ДВИГАТЕЛЕЙ С НАДДУВОМ
Все компоновочные схемы судовых дизельных установок с наддувом можно разделить на три большие группы:
схемы наддувас механической связью между поршневым двигателем и наддувочным агрегатом (схемы с подключенным турбокомпрессором);
схемы наддувас газовой связью(со свободным турбокомпрессором);
комбинированыесхемы наддува, включающие сочетания механической и газовой связи, либо использование различных способов газотурбинного наддува (изобарный и импульсный наддувы).
Ниже рассмотрены наиболее часто применяемые схемы осуществления механического, газового и комбинированного наддува дизелей, их особенности, преимущества и недостатки.
Схема наддува с механической связью
В схеме наддува с механической связью (рис. 30.а) компрессор приводится в действие непосредственно от коленчатого вала дизеля через повышающую механическую передачу –мультипликатор. Сжатый в компрессоре воздух поступает в воздухоохладитель, где от него отводится часть теплоты (повышается плотность заряда воздуха), и затем направляется в наддувочный ресивер двигателя.
Основным
недостатком схемы является тот факт,
что на привод компрессора затрачивается
значительная часть мощности (от 7 до 10
%), полученной в рабочих цилиндрах
двигателя (потери
).
Это в свою очередь приводит к некоторому
снижению мощности двигателя и его
экономичности. Такая схема обычно
применяется в дизелях с низкой степенью
наддува, а также в двухтактных дизелях
без наддува.
Схема наддува с газовой связью (импульсная турбина)
В данной схеме наддува (рис. 30.б) продукты сгорания из двигателя по коротким патрубкам направляются в импульсную газовую турбину, где продолжается их расширение. Газовая турбина преобразует энергию газов в механическую работу и передает ее компрессору, находящемуся с ней на одном валу. При использовании схемы с чисто газовой связью мощность, полученная в турбине, на всех режимах работы равна мощности компрессора. Как и в предыдущей схеме, воздух, сжатый в компрессоре, через воздухоохладитель поступает в наддувочный ресивер двигателя.
Основными преимуществами рассмотренной схемы являются: простота конструкции, небольшие габариты турбокомпрессора, автоматическая газовая связь между нагрузкой двигателя, частотой вращения турбины и параметрами наддувочного воздуха. Недостатком схемы (по сравнению со схемой с механической связью) является ухудшение пусковых качеств дизелей, так как в начальный момент пуска дизеля турбина не работает.
Схема наддува с комбинированной связью
В рассматриваемой схеме наддува (рис. 30.в) турбоагрегат частично снимает мощность с коленчатого вала двигателя через мультипликатор, и частично – с вала импульсной газовой турбины. Причем на мощностях двигателя, близких к полным, работа турбокомпрессора обеспечивается только за счет мощности, вырабатываемой газовой турбиной, а на малых мощностях и в пусковых режимах бóльшая часть мощности отбирается от коленчатого вала двигателя. Данная схема обеспечивает хорошие пусковые качества дизеля и возможность форсирования двигателя по наддуву. Недостатками схемы являются усложнение дизеля за счет применения повышающей передачи – мультипликатора, и связанные с механической передачей дополнительные потери на привод компрессора на малых нагрузках двигателя.
Рис.
30. Компоновочные схемы дизельных
двигателей с наддувом.
а
– механический наддув; б
– газовый наддув с импульсной турбиной; в
– комбинированный наддув; г
– газовый наддув с изобарной турбиной; д
– двухступенчатый комбинированный
наддув; е
– наддув с использованием подпоршневых
полостей.
–газовая турбина;
– воздушный компрессор;
– воздухоохладитель;
–мультипликатор;
– промежуточный охладитель воздуха;
–подкачивающий
электрокомпрессор;
– выброс выхлопных газов;
–забор воздуха
из атмосферы.
В этой схеме наддува (рис. 30.г) отработавшие газы из цилиндров двигателя выходят в выпускной коллектор, где выравнивается поле скоростей и давлений газов, а затем, практически при постоянном давлении, поступают в изобарную газовую турбину. Газовая турбина передает мощность компрессору, осуществляющему сжатие воздуха и находящемуся с ней на одном валу. Сжатый воздух через охладитель направляется в наддувочный ресивер двигателя.
При использовании чисто изобарного наддува на режимах малых нагрузок двигателя турбокомпрессор не обеспечивает потребный расход воздуха. На этих режимах работы двигателя дополнительно включаются в работу электроприводные компрессоры, специально установленные на дизеле.
Схема двухступенчатого комбинированного наддува
В рассматриваемой схеме наддува (рис. 30.д) продукты сгорания из цилиндров дизеля сначала направляются в импульсную газовую турбину, где происходит преобразование энергии газов в механическую работу вращения ротора турбины, а затем в выхлопной коллектор дизеля, где происходит выравнивание давления газов. Из выхлопного коллектора продукты сгорания поступают на рабочие лопатки изобарной газовой турбины, отдают ей свою энергию и выбрасываются в атмосферу. Мощность, вырабатываемая импульсной газовой турбиной, передается компрессору второй ступени сжатия, мощность изобарной турбины – компрессору первой ступени сжатия. Воздух из атмосферы поступает в компрессор первой ступени сжатия, охлаждается в промежуточном охладителе, досжимается в компрессоре второй ступени сжатия, и через воздухоохладитель поступает в наддувочный ресивер дизеля.
Такие схемы используются при высокой степени наддува с целью повышения показателей экономичности дизеля за счет более эффективного использования энергии газов а также более высоких КПД газовых турбин.
Схема наддува с использованием подпоршневых полостей
В малооборотных крейцкопфных дизелях в качестве приводного компрессора нередко используют подпоршневые полости цилиндров. В этом случае воздух, сжатый в основном турбокомпрессоре, приводимом в действие изобарной газовой турбиной, через охладитель поступает в герметичный картер двигателя к подпоршневым полостям. При движении поршня от ВМТ к НМТ воздух дополнительно сжимается и направляется в наддувочный ресивер дизеля.
При такой схеме наддува часть мощности двигателя тратится на сжатие воздуха в подпоршневых полостях.