Энергетика локомотивов - Тепловозный дизель

Глава IV
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ АВТОНОМНОЙ ЛОКОМОТИВНОЙ ТЯГИ

1. ТЕПЛОВОЗНЫЙ ДИЗЕЛЬ

Двигатель внутреннего сгорания нашел на тепловозе применение прежде всего благодаря его мощностным данным, отвечающим требованиям тепловоза как локомотива относительно небольшой единичной мощности. Мощность тепловозных дизелей (табл. 9 [4], [38]) составляет 250—4000 л. с. при числе цилиндров 6—16.
В литературе отмечается возможность создания тепловозов мощностью 6000—8000 л. с. в одной секции для скоростных пассажирских и грузовых поездов.
Следует отметить, что в СССР тепловозостроительный завод имени В. В. Куйбышева, г. Коломна уже создал локомотивный дизель 20 ДГ мощностью 6000 л. с. с намечаемой скоростью 160 км/ч [33].

Таблица 9

Примечание. OB — охлаждение воздуха после нагнетателя; ТК — газотурбинный наддув; ПРИ — приводной ротационный нагнетатель; ПЦН — приводной центробежный нагнетатель.

Тепловозный дизель обеспечивает высокую тепловую экономичность локомотива на расчетном режиме и, что особенно важно, более высокую экономичность по сравнению с газотурбинным двигателем газотурбовозов при частичных нагрузках и холостом ходе, характерных для условий работы локомотива в эксплуатации. Высокий к. п. д. дизеля — основное термодинамическое преимущество его перед другими тепловыми двигателями, вытекающее из высокого уровня температур в процессе подвода тепла и преимуществ работы поршневого двигателя на нерасчетных режимах. Эффективный к. п. д. современного тепловозного двигателя при расчетном режиме достиг 42%, а расход топлива на холостом ходу (собственно двигателя) при минимально устойчивой частоте вращения вала составляет примерно от 3 до 8,5% расхода при расчетном режиме. Это особенно важно, учитывая, что стоимость топлива составляет ~45% всех прямых эксплуатационных затрат локомотивного хозяйства при тепловозной тяге. Большое значение имеет хорошая приспособляемость дизеля к изменению условий на переходных режимах и при пуске.
Для современного тепловозного дизеля характерно повышение его литровой мощности и к. п. д. посредством газотурбинного наддува. Известны три направления развития дизеля в сочетании с газовой турбиной.

Газотурбинный наддув.

При газотурбинном наддуве газовая турбина, использующая энергию отработанных газов дизеля, приводит во вращение компрессор для наддува. Газовая турбина обычно осевого типа, компрессор центробежный. Газотурбинный двигатель механически не связан с дизелем (рис. 16). Наддув способствует значительному повышению мощности дизеля без превышения установленных для него расчетных норм. Графические зависимости удельных расходов топлива от нагрузки для транспортного дизеля с наддувом и без него показаны на рис. 17. При наддуве номинальная мощность здесь возрастает до 170%, удельный расход топлива в этой области нагрузок заметно снижается. На рис. 16 приведены также диаграммы процессов дизеля, турбины и компрессора в координатах pV.
В тепловозном дизеле Д70 воздух подается в цилиндры компрессором, имеющим газотурбинный привод, через водовоздушный охладитель и наддувочный коллектор. Давление выпускных газов меньше давления наддува.
Высокое давление наддува обычно ограничено допустимым пределом быстроходности двигателя. Вследствие уменьшения отношения хода к его диаметру s/Д при повышении противодавления газа в цилиндре возникают затруднения в регулировании мощности и управлении дизелем.

Механическая связь между газовой турбиной, компрессором и дизелем (см. рис. 16, б).

При такой связи за счет теплового перепада отработанных газов, уходящих из дизеля при повышенном противодавлении, вырабатывается в газовой турбине часть полезной мощности локомотива. Высокое давление наддува обеспечивает значительное увеличение единичной мощности установки при высоком к. п. д. и требуемой частоты вращения вала. Однако возникают трудности в устройстве передачи между дизелем и турбокомпрессором. Кроме того, имеет место резкое понижение мощности при уменьшении частоты вращения вала двигателя.
Заслуживает внимания передача избыточной мощности турбины на коленчатый вал в дизеле, созданном на харьковском заводе транспортного машиностроения им. В. А. Малышева (вариант Б дизеля Д70, рис. 18). Здесь давление отработанных газов превышает давление наддува.

Рис. 16. Сочетание дизеля с тяговой турбиной:
а — дизель с газотурбинным наддувом; б — дизель, механически связанный с газовой турбиной; в — дизель-генератор газа в сочетании с газовой турбиной; D— дизель; К — компрессор; Т — турбина

Двухвальная газовая турбина развивает мощность 1000 л. с., из которых 600 л. с. расходуются компрессорной турбиной 8 на привод компрессора наддува, а 400 л. с. (избыточная мощность, создаваемая силовой турбиной 7) передаются на коленчатый вал дизеля через редуктор, соединенный с ротором турбины зубчатой муфтой 1, и вертикальную передачу 5. Редуктор состоит из пары конических 6 и пары цилиндрических колес 2 и 3. Общее передаточное отношение от вала дизеля к валу силовой турбины і = 14. Ступица и зубчатый венец колеса 2 связаны пакетом фрикционных дисков, сжатых пружинами. Это обеспечивает возможность проскальзывания и предохраняет торсион вертикальной передачи от перегрузок силами инерции и вращающихся масс силовой турбины. Такое соединение предотвращает заброс оборотов силовой турбины при изменении режима работы, что очень важно, учитывая неблагоприятную динамическую характеристику двухвальной турбины. Масло для смазки и охлаждения редуктора подводится через штуцер 4.

Рис. 17. Зависимость удельных расходов топлива от нагрузки для транспортного дизеля:
1 — дизель наддува; 2 — дизель с газотурбинным наддувом

В рассматриваемом случае передачи избыточной мощности турбины на вал дизеля усовершенствование газотурбинного наддува посредством использования перепада энтальпий, образовавшегося вследствие неполного расширения газа в цилиндрах, идет по двум направлениям.

1. Уменьшение аэродинамических потерь в газотурбинном агрегате. Широкое применение наддува в дизелях стало возможным благодаря увеличению относительного к. п. д. агрегата за последние годы от 35 до 60% и даже больше. При этом подшипники скольжения оказались достаточно надежными и долговечными при большой частоте вращения. Радиальная конструкция малых турбомашин обеспечивает высокие ускорения под нагрузкой, благодаря чему практически устраняется дымный выхлоп. Ныне при давлении наддува 2,5 кгс/см² достигнуто такое же протекание характеристики вращающего момента, как у двигателя без наддува. Частота вращения вала турбины выбирается таким образом, чтобы обеспечить требуемую характеристику дизеля в широких пределах изменения частоты вращения его вала.
2. Увеличение располагаемого перепада энтальпий потока газа до поступления в турбину. Для этого необходимо использовать наиболее высокое давление и температуру каждого элемента газа на выходе из цилиндра. Естественно, значительные потери возникают вследствие смешения с газом более низких давлений и температур последующих периодов выпуска. На рис. 19 показано изменение давления выпуска рх, изоэнтропийного перепада энтальпий (ix—i0) и теоретической скорости потока сх по мере снижения в цилиндре количества газа (в долях 1 кг) при выпуске. 

Рис. 18. Передача избыточной мощности турбины на коленчатый вал в комбинированной турбо-дизельной установке (дизель Д70, вариант Б)

Рис. 19. Изменение давления выпуска, скорости газа, перепада энтальпий от количества газов в цилиндре

Рис. 20. К определению располагаемой энергии потока газа

Площадь, отмеченная штриховкой, представляет максимальную работу (теоретическую) 1 кг газа, которую возможно получить в идеальной турбине переменного давления за время выпуска из цилиндра до момента достижения в нем атмосферного давления, или максимальную располагаемую энергию газа. Как видно на рис. 19, предполагается, что 15% газа остается в цилиндре после окончания процесса выпуска.
Указанная работа определяется аналитически из выражения

Это видно на рис. 20, где площадь треугольника 1—4—5 выражает указанную работу,

Находим максимальную располагаемую энергию газа при выпуске (до поступления в турбину)

В действительности располагаемая энергия потока составляет лишь 35—50% теоретической вследствие потерь трения, ударов и охлаждения газа.
Чтобы сохранить перепад тепла, можно осуществить раздельный выпуск газов с использованием нескольких турбин.
Следует подчеркнуть, что указанное выше направление усовершенствования системы наддува путем увеличения располагаемого перепада энтальпий потока газа до поступления в турбину является решающим для двухтактных двигателей. Что касается четырехтактных двигателей, то это относится лишь к рассматриваемому варианту механической связи между газовой турбиной и дизелем с передачей избыточной мощности турбины на вал дизеля. Для наиболее распространенных четырехтактных двигателей со свободным турбокомпрессором (при отсутствии механической связи с дизелем) увеличение располагаемого перепада энтальпий не требуется [31].
В этом случае главным направлением является снижение затрат работы двигателя на газовый привод, что имеет место при использовании турбиной основной энергии газа на участке свободного выпуска его до такта выталкивания. Это осуществляется путем применения импульсного наддува [31], а также создает благоприятные условия и для газотурбинного наддува в двухтактном двигателе. Большое значение имеет установка газовой турбины в непосредственной близости к каждому цилиндру двигателя или, например, отдельных турбин на два цилиндра. Как известно, применение нескольких турбин для осуществления наддува требует достаточного расхода газа через каждую турбину. Это необходимо, чтобы обеспечить достаточный относительный к. п. д. турбины в силу требуемых размеров высот лопаток, что может иметь место при мощности цилиндра двигателя не менее 500 л. с.
Газотурбинный наддув в двухтактном двигателе осуществить трудно, так как требуется значительное превышение давления продувочного воздуха рк над давлением в выпускной трубе рт (в четырехтактном двигателе это не обязательно и возможна работа даже при рк<рт). Кроме того, температура отработавшего газа в двухтактном двигателе меньше, чем в четырехтактном, вследствие потери значительного количества продувочного воздуха через выпускные окна или клапаны.
Известен положительный опыт повышения располагаемого перепада тепла выпускного потока в высокооборотном тепловозном дизеле. Чтобы увеличить мощность турбины для получения заданного давления наддува, был выполнен достаточно свободный выпускной трубопровод с индивидуальными выпускными патрубками малого сечения от каждого цилиндра. Это позволило использовать в турбине кинетическую энергию газов.

Дизель-генератор газа.

При дизель- генераторе газа вся механическая мощность дизеля расходуется на привод компрессора (см. рис. 16, в). Вся полезная мощность установки вырабатывается газовой турбиной, которая включена по ходу газов за дизелем и не связана с ним механически. Преимущество такой установки — большой вращающий момент при малой частоте вращения вала благодаря свободной газовой турбине. При этом легко может быть осуществлена на локомотиве механическая передача к движущим колесам.

Рис. 21. Изменение мощности в зависимости от частоты вращения вала двигателя:
1 — СПГГ; 2 — механическая связь дизеля с газовой турбиной и газотурбинный наддув

Такая комбинация поршневого двигателя с газовой турбиной нашла применение на некоторых газотурбовозах, где тяговая турбина используется в сочетании со свободно-поршневым генератором газа (СПГГ). Промежуточное сжигание топлива в камере сгорания перед тяговой турбиной позволяет получить добавочную мощность установки при значительном увеличении удельной работы воздуха.
Изменение мощности в зависимости от частоты вращения вала двигателя для рассмотренных вариантов сочетания дизеля с газовой турбиной отражено на рис. 21.
Большое значение имеет тактность двигателя, с которым сочетается газотурбинный агрегат.
На рис. 22 даны зависимости термического к. п. д. литровой мощности для расчетных условий от давления наддувочного воздуха для двухтактного (слева) и четырехтактного (справа) дизелей, работающих в сочетании с газовой турбиной с учетом допустимых наибольших давлений в цилиндре, температуры поршня и газов перед турбиной [5, с. 393—394].
Мы видим, что сочетание дизеля с газовой турбиной приводит к значительному увеличению литровой мощности, особенно при промежуточном охлаждении воздуха. Двухтактный двигатель при этом дает более благоприятные результаты, чем четырехтактный, особенно при высоких давлениях наддува. Следует также отметить следующее преимущество двухтактного двигателя. Благодаря меньшим температурам отработанных газов снижаются требования к материалу, из которого изготавливаются лопатки ротора турбины агрегата наддува, и к качеству топлива.
При механическом соединении вала дизеля с валом турбины обеспечивается с повышением давления наддува увеличение удельной мощности в сочетании с ростом эффективного к. п. д.
Дизель-генератор газа при высоких давлениях наддува сравним по результатам с вариантом механического соединения вала дизеля с турбиной. Следует отметить два преимущества дизеля с газотурбинным наддувом: 1) компактность агрегата, особенно по сравнению с вариантом СПГГ; 2) обеспечение мощности дизеля при требуемой частоте вращения вала без дорогостоящего и громоздкого редуктора с большим передаточным отношением, как это имеет место в установке с СПГГ и газовой турбиной, развивающей обычно частоту вращения в несколько тысяч оборотов в минуту.
К недостаткам установки с СПГГ относятся недоиспользование большого теплового перепада в генераторной части установки (дизель), усложнение автоматического регулирования внутреннего и внешнего мертвых положений поршней при изменении нагрузки и частоты вращения турбины, увеличение удельного расхода топлива при недогрузках, ухудшение условий горения в связи с изменением объема камеры сгорания.
Наиболее простое решение дает газотурбинный наддув в его современном исполнении, обеспечивающий компактность установки, простоту контроля, высокий к. п. д., относительно невысокую стоимость. Для развития газотурбинного наддува дизелей в настоящее время характерно применение промежуточного охлаждения воздуха.

Рис. 23. Схемы судовой установки с СПГГ (а), ГТУ с регенератором и промежуточным охладителем (б), сдвоенного судового дизеля с газотурбинным наддувом и гидропередачей (в)

Таблица 10

Данные для сравнения вариантов сдвоенного дизеля 2 х 3 000 л. с., ГТУ 6000 л. с. и установки с СПГГ 6000 л. с. (рис. 23) приведены в табл. 10.