Газотурбинный наддув судовых ДВС

В. Г. Гурьев






                ГАЗОТУРБИННЫЙ НАДДУВ СУДОВЫХ ДВС




Учебное пособие

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 629.12:621.43
ББК 31.365
      Г95


Рецензенты:
к. т. н., профессор кафедры «Судовые энергетические установки» Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота (г. Калининград) Можаев Олег Сергеевич;
д. т. н., профессор, капитан 1 ранга в отставке (г. Санкт-Петербург) Максимов Сергей Евгеньевич






     Гурьев, В. Г.

Г95       Газотурбинный наддув судовых ДВС : учебное пособие / В. Г. Гурьев. -
     Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 124 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1538-5

           Рассматривается теория и конструкция ДВС, средства и методы оценки надежности и технического состояния турбонаддувочных агрегатов, причины влияния эксплуатационных и внешних факторов на совместную работу ДВС и ТК, в том числе средства и способы охлаждения наддувочного воздуха, причины износа и загрязнения элементов ГТНА.
           Для курсантов и студентов судомеханических факультетов морских академий всех форм обучения. Может быть полезно судовым инженерам-механикам.


                                                                    УДК 629.12:621.43
                                                                    ББК31.365














ISBN 978-5-9729-1538-5

  © Гурьев В. Г., 2023
  © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

    СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ.....................................5
ВВЕДЕНИЕ.......................................................6
ГЛАВА 1. ВИДЫ, СПОСОБЫ И СХЕМЫ НАДДУВА ........................8
  1.1. Необходимость применения наддува ДВС....................8
  1.2. Способы наддува.........................................9
  1.3. Механический наддув....................................10
  1.4. Газотурбинный наддув...................................12
  1.5. Комбинированный наддув.................................16
ГЛАВА 2. УСТРОЙСТВО ГАЗОТУРБОНАГНЕТАТЕЛЕЙ.....................18
  2.1. Общий вид газотурбонагнетателя.........................18
  2.2. Краткая характеристика отечественных турбокомпрессоров.18
  2.3. Страны и фирмы, производящие турбокомпрессоры..........22
  2.4. Общее устройство турбокомпрессора типа PDH-50..........23
ГЛАВА 3. СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ НАДДУВОЧНОГО
ВОЗДУХА ДИЗЕЛЯ................................................25
  3.1. Охлаждение наддувочного воздуха........................25
  3.2. Основные способы и схемы системы охлаждения наддувочного воздуха дизеля..............................................27
  3.3. Способ охлаждения наддувочного воздуха в рекуперативном теплообменнике..............................................27
  3.4. Турбодетандерное охлаждение............................29
  3.5. Охлаждение наддувочного воздуха впрыскиванием легко испаряющейся жидкости.................................30
ГЛАВА 4. РАСЧЕТЫ ОХЛАДИТЕЛЕЙ НАДДУВОЧНОГО ВОЗДУХА..................32
  4.1. Расчет водо-воздушного теплообменника..................32
  4.2. Расчет коэффициента теплопередачи и размеров водо-воздушного ОХНВ........................................33
  4.3. Расчет воздухо-воздушного эжектора.....................39
ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ И ВНЕШНИХ
ФАКТОРОВ НА СОВМЕСТНУЮ РАБОТУ ДВС
И ТУРБОКОМПРЕССОРА.................................................43
  5.1. Влияние некоторых эксплуатационных факторов на совместную работу ДВС и ТК....................................43
     5.1.1. Влияние нагрузки на совместную работу ДВС и ТК....43
     5.1.2. Влияние числа оборотов коленчатого вала на совместную работу ДВС и ТК............................44
     5.1.3. Влияние повышенного сопротивления на всасывании в компрессор (загрязнение воздушного фильтра)............45
     5.1.4. Влияние загрязнения проточной части компрессора........46
     5.1.5. Влияние увеличения сопротивления на входе в турбину....49
     5.1.6. Влияние увеличения сопротивления на выхлопе из турбины.50

3

  5.2. Влияние внешних факторов на совместную работу ДВС и ТК...51
     5.2.1. Влияние давления атмосферного воздуха...........51
     5.2.2. Влияние температуры атмосферного воздуха............51
     5.2.3. Влияние влажности атмосферного воздуха..........52
ГЛАВА 6. ОЧИСТКА ГАЗОТУРБОНАГНЕТАТЕЛЕЙ
И ВОЗДУХООХЛАДИТЕЛЕЙ СИСТЕМЫ НАДДУВА ДВС....................55
  6.1. Разборная очистка ТК и ОХНВ..........................55
  6.2. Безразборная очистка проточной части ТК и ОХНВ.......59
  6.3. Способ сухой очистки компрессора при помощи ультрафиолетового излучения...................................67
  6.4. Система непрерывной очистки ДВС..........................75
  6.5. Расчет потребного количества очистителя турбокомпрессора.78
  6.6. Выбор турбокомпрессора по исходным параметрам дизеля.84
ГЛАВА 7. ОЦЕНКА ЭКОНОМИИ ТОПЛИВА В РЕЗУЛЬТАТЕ
ПРОВЕДЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И ОЧИСТКИ СИСТЕМЫ НАДДУВА И КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ДВС.......................89
ГЛАВА 8. УТИЛИЗАЦИЯ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ, СВЯЗАННЫХ С СИСТЕМОЙ НАДДУВА ДВС............................99
ГЛАВА 9. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ТУРБОКОМПРЕССОРОВ....................105
  9.1. Общие требования....................................105
  9.2. Подготовка турбокомпрессора к пуску.................105
  9.3. Наблюдение и технический уход за системой наддува...107
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................111
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ...................................112
Приложение.................................................114

4

    СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

   АОУ - автоматический орган управления;
   АСС - моющее средство воздухоохладителей (Air cooler cleaner);
   ГТНА - газотурбонагнетальный агрегат;
   ГТН - газотурбонаддув;
   ГТ - газовая турбина;
   ГТУ - газотурбинная установка;
   ВОД - высокооборотный дизель;
   ВОХ - воздухоохладитель;
   ВТС - высокотемпературная секция;
   ВЭР - вторичный энергетический ресурс;
   ДВС - двигатель внутреннего сгорания;
   ДЭУ - дизельная энергетическая установка;
   ИГТН - импульсный подвод газа к турбине;
   К - компрессор (центробежный);
   КВ - коленчатый вал;
   КИП - контрольно-измерительные приборы;
   КШМ - кривошипно-шатунный механизм;
   МО - машинное отделение;
   МОД - малооборотный дизель;
   НТС - низкотемпературная секция
   ОХНВ - охладитель наддувочного воздуха;
   ПАВ - поверхностно-активные вещества;
   ППО - плановые предупредительные осмотры;
   ППР - плановые предупредительные ремонты;
   ППК - противопомпажный клапан;
   ПТ - паровая турбина;
   ПТК - подключенный турбокомпрессор;
   ТД - турбодетандер;
   ТК - турбокомпрессор (осевой);
   ТКР - турбокомпрессор радиальный;
   ТНВД - топливный насос высокого давления;
   ТООЧ - твердые органические очистители;
   СОД - среднеоборотный дизель;
   СТК - свободный турбокомпрессор;
   СНО - систем непрерывной очистки;
   ЦПГ - цилиндропоршневая группа;
   ЦХ - центральный холодильник.

5

    ВВЕДЕНИЕ

   Мощность ДВС можно увеличить разными конструктивными способами: увеличением количества цилиндров и/или диаметра цилиндра, хода поршня, числа оборотов коленчатого вала. Всё это приводит к значительному росту массогабаритных показателей. Способ повышения среднего эффективного давления, за счет увеличения плотности наддувочного воздуха при помощи отдельных агрегатов системы наддува ДВС, позволит значительно повысить мощности двигателя, не изменяя существенно его габариты и массу.
   Вопросами разработки и внедрения способа повышения мощности за счет применения системы наддува занимались различные ученые, конструкторско-исследовательские организации.
   Существенный вклад внесли: немецкие инженеры, конструкторы, изобретатели Готтлиб Вильгельм Даймлер (1834-1900 г.); Рудольф Кристиан Карл Дизель (1858-1913 г.); швейцарский инженер изобретатель Альфред Бюши (Бюхи) (1879-1959 г.) и другие.
   «1885 - Готлиб Даймлер получил патент DRP 34926 на систему наддува двигателя с использованием принципа кривошипно-камерной продувки; 1886 - Рудольф Дизель на втором опытном экземпляре своего двигателя опробовал предварительное сжатие необходимого для сгорания воздуха; 1905 - Альфред Бюши предложил сжимать воздух на впуске в цилиндры при помощи энергии выхлопных газов (рис. 1). Он же предложил охлаждать наддувающий воздух на входе в двигатель. Эти идеи лежат в основе турбонаддува» [1].


Рисунок 1 — Турбокомпрессор,разработанный Альфредом Бюши [1 ]

   Наддув в авиации был незаменим, так как на высоте более 5000 метров над землей ввиду разряженного воздуха поршневые двигатели работают с меньшей мощностью, из-за пониженного давления атмосферного воздуха.
   Параллельно с повышением мощности авиационных двигателей при помощи наддува стали увеличивать мощность и автомобильных двигателей.

6

   ДВС с наддувом начали активно применять на надводном и подводном флоте и в тепловозных двигателях. «В июне 1924 г. первый в мире мощный турбонагнетатель VT402, работающий от выхлопных газов, вышел с завода компании Браун Бовери. Большой интерес к новинке проявили на флоте (рис. 2). Годом раньше, в 1923 г., на судоверфи Vulkan в Германии были заложены два больших пассажирских судна, на каждом из которых устанавливалось по два 4-тактных 10-цилиндровых двигателя MAN с турбонагнетателями, сконструированными и изготовленными под общим руководством лично Бюхи. Спущенные на воду в 1926 г. эти два судна были первыми в истории флота, имевшими турбонаддув двигателей» [24].


Рисунок 2 — Первый в мире турбонагнетатель для дизельного двигателя большой мощности (1924 г.) [24]

   Повышение мощности ДВС за счет применения турбонаддува нашло широкое применение во многих сферах человеческой деятельности, в авиационном, автомобильном, железнодорожном, морском транспорте.

7

ГЛАВА 1. ВИДЫ, СПОСОБЫ И СХЕМЫ НАДДУВА


    1.1. Необходимость применения наддува ДВС


   Задача повышения мощности и крутящего момента двигателя была актуальна всегда. Мощность двигателя напрямую связана с рабочим объемом цилиндров и количеством подаваемой в них топливовоздушной смеси, т. е., чем больше в цилиндрах сгорает топлива, тем более высокую мощность развивает силовой агрегат. Однако самое простое решение - повысить мощность двигателя путем увеличения его рабочего объема приводит к увеличению габаритов и массы конструкции. Наиболее действенным способом в этой ситуации является наддув. Чем больше топлива подается и полностью сжигается в цилиндре, тем больше будет мощность дизеля, т. е. наддув позволяет увеличить массу заряда воздуха,


поступающего в цилиндр для сжигания повышенного количества впрыскиваемого топлива за цикл. При этом возрастает индикаторное давление Р,. что приводит к росту мощности ДВС (Ре = Р, • ц|п; где Ре - среднее эффективное давление, Pi - среднее индикаторное давление, пт - механический КПД) [28].


P ₌ 30^- Nе е ⁱ ⁻ V ⁻ п

                                             кВт,


(1)

где т - коэффициент тактности (для двухтактных т = 2; для четырехтактных т = 4);
   N. - эффективная мощность, кВт;
   п - частота вращения, об/мин;
   i - число цилиндров двигателя, шт.;
   Vj - рабочий объем цилиндра, дм³ (литр).


V _л-D² - S
j"    4

(2)


.. Р - л - D² - S - i - п
N = еЛ----------------
е         30т

(3)

   Или
                        Ре Пе •'Hv •ро • (Ни / G), где Пе - эффективный КПД;
   Hᵥ - коэффициент наполнения;
   р₀ - плотность свежего заряда воздуха;
   Ни - затраченная теплота топлива;
   G - количество свежего заряда поступившего в цилиндры двигателя на 1 кг топлива (G = а L,, + 1), Ьо - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива, кг воздуха / кг топлива (14,35 кг/кг), а - коэффициент избытка

воздуха при сгорании.

Nе =

Ре - л - D² - S - i - п 30г

                                                  Н .. „ .
Не⁻Hv ⁻Ро ⁻⁻л⁻D² ⁻S⁻ⁱ⁻п
__________G________________
            30т

(4)

   Таким образом, из формулы (4) видно, что бы мощность двигателя была больше необходимо увеличить диаметр цилиндра, ход поршня, количество 8

цилиндров - это повышает массогабаритные показатели, увеличение оборотов двигателя влечет за собой снижение моторесурса. Поэтому наиболее оптимальным является увеличение плотности воздуха за счет применения системы наддува.


    1.2. Способы наддува


   К основным способам наддува ДВС можно отнести:
   -  механический наддув;
   -  газотурбинный наддув;
   -  комбинированный.


Рисунок 1.1 — СхемыДВС с наддувом:
а — механический наддув; б — свободный газотурбинный наддув с импульсной турбиной; в - подключенный газотурбинный наддув с импульсной турбиной; г - комбинированный наддув с изобарной турбиной; д - двухступенчатый газотурбинный наддув;
е — газотурбинный наддув с использованием подпоршневых полостей.
Г— выброс выхлопных газов; В — забор воздуха из атмосферы; К — воздушный центробежный компрессор; М- мультипликатор; ВО - воздухоохладитель; ГТ- газовая турбина; ЭК - воздушный компрессор с электроприводом;
ПОВ — промежуточный охладитель воздуха [3]

9

    1.3. Механический наддув


   При механическом наддуве компрессор приводится во вращение от коленчатого вала дизеля. На привод компрессора расходуется часть мощности дизеля. Энергия выпускных газов не используется (рис. 1.1, а). В качестве компрессора используется центробежный нагнетатель (рис. 1.2).
   С повышением давления наддува Рв затраты мощности на привод наддувочного агрегата увеличиваются. Этот способ наддува имеет ограниченное применение (при Рв = 0,13-0,25 МПа), так как затраты мощности на его обеспечение приводят к снижению механического КПД двигателя и увеличению эффективного расхода топлива. При больших Рв механический наддув применяется главным образом в качестве первой или второй ступени комбинированного наддува.


Рисунок 1.2- Принципиальная схема дизеля с механическим наддувом:
Д- дизель; Н- нагнетатель; BOX- охладитель воздуха; Ро То - давление и температура перед компрессором; Рв Тв - давление и температура воздуха за компрессором;
Ркц ТКц — давление и температура воздуха за воздухоохладителем

   При механическом наддуве и постоянной частоте вращения коленчатого вала воздуха поступает одинаковое количество, не зависимо от нагрузки дизеля [8].
   «Воздух, попадая в корпус нагнетателя, подхватывается лопастями рабочего колеса и, раскручиваясь, центробежными силами прижимается к внешним стенкам корпуса. На этом этапе воздушный поток достигает огромной скорости, но пока его давление слишком мало. Затем при помощи диффузора достигается обратный эффект: при выходе из нагнетателя скорость воздушного потока уменьшается, а давление, наоборот, возрастает, за счет «поджимающего» сзади воздуха. Эффективность центробежных нагнетателей (рис. 1.3) пропорциональна оборотам двигателя. На низких оборотах прирост мощности практически не

10

ощущается (хотя он и больше, чем у той же турбины), зато на среднюю и высо-

кую мощность увеличивается» [9].

Рисунок 1.3- Приводной центробежный нагнетатель [9]

   В автомобильных двигателях применяются приводные нагнетатели объемного типа роторно-винтовые, роторно-пластинчатые, роторно-шестеренчатые, поршневые. На судовых ДВС механический приводной нагнетатель, как правило лопаточный центробежный. В газотурбинных энергетических установках применяется воздушный компрессор многоступенчатый лопаточный осевой.
   Механический наддув имеет ряд преимуществ и недостатков, ограничивающих его применение:
   Преимущества:
   1.    Возможность применения наддува при запуске двигателя и на малых нагрузках.
   2.   Простота конструкции.
   3.   Относительно небольшая стоимость.
   Недостатки:
   1.    Большие затраты мощности на привод компрессора, они увеличиваются с ростом давления наддува.
   2.   Малые допустимые значения давления наддува Рв = 0,13-0,25 МПа.
   3.   Повышенный расход топлива по сравнению с газотурбинным наддувом.
   4.   Снижение механического КПД с увеличением давления наддува.
   Механический наддув может применяться как на четырехтактных, так и на двухтактных дизелях мощностью до 2208 кВт (3000 л. с.), либо в комбинированном наддуве на более мощных ДВС.

11

    1.4. Газотурбинный наддув


   Наиболее широкое применение в дизелестроении нашел газотурбинный наддув, в котором использование энергии выпускных газов в турбине позволяет в значительной мере компенсировать затраты на привод центробежного компрессора, а иногда даже получить избыточную мощность, отдаваемую на вал дизеля.
   Воздух в компрессоре сжимается до заданного давления наддува и поступает в воздухоохладитель, потом в ресивер наддувочного воздуха, а затем в цилиндры дизеля. С повышением нагрузки дизеля возрастает количество выпускных газов, что ведет к увеличению скорости их истечения на лопатки турбины и частоты вращения компрессора. Частота вращения турбокомпрессора может быть в пределах от 6 тыс. до 38 тыс. об/мин.
   Использование ГТНА в сочетании с охлаждением воздуха позволяет довести механический КПД дизеля до цт = 0,9 <- 0,92 при эффективном удельном расходе топлива gₑ = 175 : 185 г/кВт-ч, (на современных малооборотных двухтактных, с большим ходом поршня ДВС расход топлива может находиться в пределах 165 г/кВт-ч) таким образом, обеспечивается высокая экономичность двигателя.
   В настоящее время на судах применяются дизели с газотурбинным наддувом:
     1.    С постоянным давлением газа перед турбиной (изобарная турбина), при котором дизель имеет неразделенный выпускной коллектор и общий подвод газа к турбине (выпускные газы из всех цилиндров направляются по единому выпускному коллектору большого объема к соплам газовой турбины, которая монтируется в конце выпускного коллектора).
     2.    С переменным давлением газа перед турбиной (импульсная турбина) (на дизеле установлен разделенный выпускной коллектор с парциальным подводом газа из каждой секции коллектора в сопловый аппарат турбины, т. е. выпускной коллектор разделен на отдельные ветви, которые объединяют от двух до четырех цилиндров для подвода газа к импульсной турбине).
     На судах применяются следующие конструктивные схемы газотурбинного наддува:
     - дизель с подключенным турбокомпрессором (ПТК);
     - дизель со свободным турбокомпрессором (СТК).
     Более широкое применение на судах и военных кораблях с ДВС нашли схемы СТК.
     Дизель с подключенным турбокомпрессором (ПТК).
     Схемы подключения турбокомпрессоров к малооборотным и среднеоборотным ДВС .
     «Избыточная работа турбины (3) турбокомпрессора может быть передана на вал ДВС (1) через простую механическую передачу (5), что наиболее целесообразно для среднеоборотных дизелей с турбонаддувом. При разгоне ДВС и малых нагрузках, когда энергия турбины мала, компрессор получает мощность от вала ДВС. На больших нагрузках двигателя избыточная мощность турбины пере-даетсяна валДВС» (рис. 1.4) [9].

12