Содержание материала

ГЛАВА II
ДИЗЕЛЬ
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ, КОМПОНОВКА И ОСНОВНАЯ техническая характеристика

Дизель 10Д100 (рис. 3) двухтактный, бескомпрессорный, со струйным смесеобразованием, с противоположно движущимися поршнями, вертикальный, с однорядным расположением цилиндров, газотурбинным наддувом и промежуточным охлаждением наддувочного воздуха.

вид дизель-генератора 10Д100
Рис. 3. Внешний вид дизель-генератора 10Д100


Рис. 4. Принципиальная схема дизеля с противоположно движущимися поршнями: 1 — гильза цилиндра; 2 — верхний поршень; 3 — впускные окна; 4 — форсунка; 5 — камера сгорания; 6 — выпускные окна; 7 — нижний поршень

Принцип работы двухтактного дизеля с противоположно движущимися поршнями заключается в следующем (рис. 4). В каждом цилиндре движутся два поршня 2 и 7 во взаимно противоположных направлениях. Верхний поршень 2 шатуном связан с верхним коленчатым валом, а нижний 7 — с нижним. Верхний коленчатый вал вращается против часовой стрелки, а нижний — по часовой (если смотреть со стороны генератора). Коленчатые валы связаны между собой вертикальной передачей. При движении поршней к внутренней мертвой точке (в. м. т.) между поршнями происходит сжатие воздушного заряда, а за 10° до в. м. т. нижнего поршня из форсунок 4 начинается впрыск топлива в цилиндр. Таким образом, процесс сгорания происходит в камере сгорания 5 непосредственно между днищами поршней. При движении поршней к наружной мертвой точке (н. м. т.) происходит расширение газов в цилиндре (рабочий ход) и поршни через кривошипно-шатунные механизмы вращают коленчатые валы. В нижней части гильзы 1 цилиндра расположены выпускные окна 6, через которые при их открытии нижним поршнем 7 отработавшие газы выходят в выпускной коллектор. При повороте нижнего коленчатого вала на 16° после открытия выпускных окон верхний поршень 2 открывает впускные окна 3, через которые из продувочного ресивера в цилиндр поступает свежий воздух, вытесняющий из него отработавшие газы (осуществляется продувка цилиндра) и наполняющий его. При движении поршней к в. м. т. вначале нижним поршнем 7 перекрываются выпускные окна 6, а затем (через 8° угла поворота нижнего коленчатого вала) верхний поршень 2 перекрывает впускные окна 3. Это происходит потому, что нижний коленчатый вал на 12° «опережает» верхний (см. рис. 4). 


Рис. 5. Диаграмма фаз газораспределения дизеля 10Д100

Запаздывание закрытия впускных окон по отношению к выпускным окнам дает возможность несколько увеличить наполнение цилиндра, т. е. осуществить процесс «дозарядки». Далее начинается сжатие свежего заряда, и рабочий цикл повторяется в рассмотренном выше порядке. Рабочий цикл осуществляется за два  хода каждого поршня (два такта), т. е. за один оборот каждого коленчатого вала.
Опережение нижним коленчатым валом верхнего приводит к неравномерному распределению мощностей между ними. Так как рабочий ход нижних поршней начинается раньше, то он происходит при большем давлении газов, вследствие чего нижнему коленчатому валу сообщается и большая мощность. Нижний коленчатый вал передает около 70% общей мощности дизеля, а верхний — около 30%.
На рис. 5 приведена диаграмма фаз газораспределения, на которой указаны основные моменты рабочего цикла дизеля. Воздух в цилиндры дизеля поступает с давлением Рк = 2,35 ата, что позволяет увеличить его весовой заряд. Это в свою очередь дает возможность впрыснуть в цилиндр больше топлива и, следовательно, значительно повысить мощность дизеля по сравнению с дизелем, имеющим низкое давление наддува (например у дизеля 2Д100 того же типа — давление наддува — 1,35 ата, а цилиндровая мощность в 1,5 раза меньше, чем у дизеля 10Д100). Однако для повышения давления атмосферного воздуха до 2,35 ата требуется значительная мощность, и если привод нагнетателя осуществлять от коленчатого вала дизеля, то это значительно увеличит удельный эффективный расход топлива. Отработавшие газы дизеля, выпускаемые в атмосферу, обладают определенной тепловой энергией, которая может быть использована для сжатия наддувочного воздуха в нагнетателе. Для этого на дизеле устанавливают одну или несколько газовых турбин (обычно это одноступенчатые, осевые, реактивные турбины), в которых часть тепловой энергии выпускных газов преобразовывается в механическую энергию, используемую для привода, как правило, центробежных нагнетателей, осуществляющих наддув. Рабочие колеса газовой турбины и нагнетателя монтируются на общем валу и помещаются в общем корпусе, образуя агрегат —  турбонагнетатель.
В дизеле 10Д100 энергии отработавших газов недостаточно для осуществления полного сжатия наддувочного воздуха. Это объясняется относительно невысокой температурой газов до турбины (—400° С), а также ограничением давления их перед турбиной

— из условий осуществления качественной продувки и эффективного рабочего процесса. Поэтому в дизеле 10Д100 за счет энергии выпускных газов обеспечивается только 74% мощности, необходимой для полного сжатия наддувочного воздуха. Недостающую мощность (~26%) приходится снимать с коленчатого вала дизеля, что, естественно, несколько повышает удельный эффективный расход топлива по сравнению с тем случаем, если бы сжатие воздуха осуществлялось полностью за счет энергии выпускных газов.


Рис. 6. Схема газотурбинного наддува дизелей 10Д100 и 9Д100: 1 — дизель; 2 — газовая турбина; 3 — нагнетатель первой ступени; 4 — нагнетатель второй ступени; 5 — охладитель

Схема системы газотурбинного наддува, примененной на дизелях 10Д100 и 9Д100, приведена на рис. 6.
На дизеле 10Д100 выполнена так называемая комбинированная (или двухступенчатая) система газотурбинного наддува. В начале наддувочный воздух сжимается в двух нагнетателях, привод которых осуществляется газовыми турбинами, работающими на выпускных газах дизеля. Это, первая ступень сжатия воздуха. Затем воздух попадает в нагнетатель, имеющий механический привод от верхнего коленчатого вала дизеля. Это вторая ступень сжатия.
После сжатия в нагнетателях первой и второй ступени наддувочный воздух имеет высокую температуру (до 135°). Чтобы снизить тепловую нагрузку (тепловую «напряженность») цилиндро-поршневой группы, а также увеличить воздушный заряд цилиндров (при меньшей температуре воздух имеет больший удельный вес), на дизеле 10Д100 после нагнетателя второй ступени установлены два параллельно работающих водо-воздушных охладителя наддувочного воздуха.
На двигателе 10Д100 применен порядок работы цилиндров 1—6—10—2—4—9—5—3—7—8 (нумерация цилиндров со стороны, противоположной размещению электрогенератора: со стороны турбонагнетателей, см. рис. 7), т. е. такой же порядок работы цилиндров, как на двигателе 2Д100.


Рис. 8. Дизель-генератор 10Д100 (вид со стороны турбонагнетателей):
36 — тахометр; 37 — привод регулятора; 38 — водяной насос системы охлаждения наддувочного воздуха; 39 — рама; 40 — водяной насос системы охлаждения дизеля; 41 — фильтр масла центробежный


Рис. 9. Дизель-генератор 10Д100 (разрез по отсеку управления):
42 — управление дизеля; 43 — выпускной коллектор; 44 — трубопровод топлива; 45 — рукоятка для ручной остановки дизеля, 46 — привод валов топливных насосов

Особенности компоновки дизеля состоят в следующем. Со стороны управления дизелем над выпускными патрубками 22 на кронштейне установлены два турбонагнетателя 1, оси валов которых скрещиваются под прямым углом с осями коленчатых валов дизеля. Каждый выпускной патрубок подводит газы к одной из турбин, откуда они выбрасываются в атмосферу.
Между выпускными патрубками дизеля и приемными улитками газовых турбин установлены компенсаторы, обеспечившие, в частности, жесткое крепление турбонагнетателей к кронштейну, который в свою очередь жестко крепится к верхней части блока дизеля. Воздух в нагнетатели поступает по входным патрубкам и после сжатия по трубопроводам 5, расположенным с левой и правой стороны дизеля несколько ниже крыши 4 блока, попадает в нагнетатель второй ступени сжатия.
В верхней части дизеля на уровне турбонагнетателей размещены два маслоотделителя 2 и реле давления 3. На уровне выпускных патрубков с левой стороны дизеля установлен объединенный регулятор 23 нагрузки и числа оборотов (на дизеле 2Д100 он расположен с торца, рядом с выпускным патрубком). Такое размещение регулятора (с левой стороны дизеля) обеспечивает удобство обслуживания и устраняет нагрев его от выпускных патрубков.
На блоке над регулятором 23 укреплены датчики 24 электроманометров для замера давления масла в верхнем масляном коллекторе. В нижней части дизеля, с его торца, находятся привод 19 к насосам и вентилятору, плита 18 насосов, к которой крепятся масляный 21 и водяные 40 и 38 насосы. С этой же стороны на носке нижнего коленчатого вала расположен маятниковый антивибратор 17.
Со стороны главного генератора в верхней части блока с торца установлен нагнетатель второй ступени с редуктором 10, торсионный валик которого соединен с передним носком верхнего коленчатого вала дизеля.
Воздух, поступивший от нагнетателя первой ступени, после сжатия в нагнетателе второй ступени из двухзаходной улитки попадает в два воздухоохладителя 11, расположенные у торца дизеля, с левой и правой стороны. Охлажденный наддувочный воздух из каждого охладителя поступает в соответствующий воздушный ресивер 5.
На переднем торце блока, над муфтой привода электрогенератора, установлен валоповоротный механизм 12.
Блок 6 закрыт крышей 4, которая прикрывает верхний коленчатый вал 8 с коренными подшипниками 35. В нижней части блока на коренных подшипниках (типа «подвески») уложен нижний коленчатый вал 15. Верхний и нижний коленчатые валы соединены вертикальной передачей 9, размещенной в специальном отсеке блока дизеля (со стороны генератора). Вертикальная передача передает с верхнего коленчатого вала нижнему до 30% мощности дизеля. Гильзы 29 цилиндров прикреплены к верхнему горизонтальному листу блока болтами.
В центральной части блока расположены горизонтальные отсеки: продувочного ресивера, топливных насосов и форсунок, выпускных коллекторов, нижнего коленчатого вала («картер» дизеля). На боковых листах картера имеются люки, через которые производятся осмотр коренных подшипников и выемка нижних и верхних поршней. Эти люки закрыты крышками с предохранительными клапанами, сообщающими полость картера с атмосферой при повышении давления в ней выше определенной величины. Снизу картер закрыт поддоном, являющимся маслосборником. Блок крепится к поддизельной раме болтами. Поддон закрыт металлической сеткой, через которую стекает в него масло. Примерно под отсеком вертикальной передачи в поддоне имеется полость (углубление), откуда масло подводится к масляному насосу 21.
На уровне верхнего коленчатого вала скомпонован привод 46 (рис. 9) валов топливных насосов. От цилиндрической шестерни, сидящей на носке верхнего коленчатого вала, вращение передается через две паразитные шестерни двум шестерням, каждая из которых сидит на соответствующем валу привода топливных насосов. В этом же отсеке (отсеке «управления») несколько ниже привода валов топливных насосов смонтировано управление 42 дизелем, с которым (с управлением) связана рукоятка 45, находящаяся на правой стороне дизеля и служащая для ручной остановки его.
С левой стороны дизеля находится масляный коллектор, отводящий масло, охлаждавшее верхние поршни и смазывавшее подшипники верхнего коленчатого вала. В нижней части блока расположены два выпускных коллектора 43, идущие вдоль блока до отсека вертикальной передачи. На уровне картера дизеля проходит трубопровод 44 топлива, по которому он поступает от топливоподкачивающего агрегата к двум топливным коллекторам, расположенным вдоль блока с каждой его стороны. Над блоком дизеля проходит трубопровод 34, подающий масло на смазку коренных и шатунных подшипников верхнего коленчатого вала, а также на охлаждение верхних поршней. Бугели коренных подшипников 35 приварены к горизонтальным и вертикальным листам блока.
Над отсеком продувочных ресиверов находятся валы топливных насосов, кулачки которых приводят в движение через толкатели плунжеры топливных насосов 27. Топливо из насосов по трубкам высокого давления поступает в две форсунки 28 каждого цилиндра, расположенные в центральной части друг против друга. Каждая форсунка соединена с отдельным топливным насосом. Таким образом, с левой и правой стороны дизеля имеется по десять топливных насосов и форсунок.
Над выпускными коллекторами размещены два трубопровода воды, по которым она поступает на охлаждение гильз цилиндров. На уровне выпускных коллекторов выполнены откидные площадки 32, используемые при осмотрах и ремонте дизеля.
Выпускные коллекторы 43 — прямоугольного сечения, охлаждаемые водой, имеют лючки для осмотра колец нижних поршней через выпускные окна гильз цилиндров. К выпускным коробкам

крепятся направляющие лопатки, изменяющие направление потока газа при поступлении его в выпускной коллектор.
В центральной части гильзы цилиндра, кроме двух отверстий для форсунок, имеется третье — для индикаторного крана 33.
Со стороны турбонагнетателей расположен тахометр 36 с приводом, а также (несколько ниже турбонагнетателей) четыре топливных фильтра тонкой очистки. Под ними на блоке укреплен центробежный масляный фильтр 41.
На первых десяти тепловозах ТЭ10 были установлены двенадцатицилиндровые дизели 9Д100 мощностью 3 000 л. с. при 850 об/мин (цилиндровая мощность 250 л. с.). Общая компоновка их, система газотурбинного наддува и основные конструктивные решения такие же, как и у дизеля 10Д 100. Отличие заключается в меньшей форсировке по среднему эффективному давлению.

Основная техническая характеристика дизеля 10Д100
Обозначение (марка) ... 10Д100
Эффективная мощность при 850 об/мин в л. с. ,                       3 000
Удельный эффективный расход топлива в г/э.л.с.ч. 160+5%
Диаметр цилиндра в мм .. 207
Ход поршня в мм 2X254
Число цилиндров ..  10
Рабочий объем цилиндров в л  170,9
Порядок работы цилиндров ... 1—6—10—2—4—9—
5—3—7—8
Степень сжатия действительная ..  15
Максимальное давление сгорания в кг/см2 ...                    не более 100
Температура выпускных газов за окнами в °C .                       »    » 480
Минимальное устойчивое число оборотов на холостом ходу в об/мин 400±15
Угол опережения впрыска топлива (геометрический) в градусах поворота коленчатого вала . 10±1 до в. м. т.
нижнего коленчатого вала
Удельный расход масла в г/э. л. с. ч .. не  более 3
Габаритные размеры дизель-генератора в мм: длина ... 6 922
ширина ..  1 930
высота  3210
Вес дизель-генератора (сухой)      в кг  29 680
Удельный вес дизель-генератора в кг/л. с. . .                            9,9
Вес дизеля с поддизельной рамой в кг                                  19500
Удельный вес дизеля с поддизельной рамой в кг/л. с      6,5
Габаритные размеры дизеля в мм: длина ... 6 182
ширина .    1 730
высота ...  3 210
Вес дизеля без рамы (сухой) в кг .. 16 900
Удельный вес дизеля без рамы в кг/л. с. . .                               5,6
Веса узлов и деталей в кг
Блок ..   5    778
Рама .  2    564

Коленчатый вал в сборе:
верхний . 1 035
нижний .. 1 072
Поршень с шатуном:
верхний . 60,9
нижний     63,2
Гильза цилиндра (с рубашкой) ..  115
Турбонагнетатель .  300
Нагнетатель второй ступени с редуктором . . .                            545
Охладитель наддувочного      воздуха ...                                   200
Водяной насос (системы охлаждения      дизеля)   97,4
Водяной насос (системы охлаждения наддувочного воздуха)                        98
Масляный насос . 108

Габариты наибольшего узла в мм
Блок: длина . 4 045
ширина . ...  1 106
высота ..  1 884
Пусковое устройство электростартерный запуск главным генератором от аккумуляторных батарей

Дизели 10Д100 и 9Д100 созданы на базе серийного тепловозного дизеля 2Д100.
Однотипность конструкции дизелей 10Д100, 9Д100 и 2Д100 имеет большое значение как для производства, так и для эксплуатации. Поскольку дизели типа Д100 с газотурбинным наддувом имеют до 80% узлов и деталей, унифицированных с дизелем 2Д100, полностью сохраняется производственная база и используется опыт, накопленный рабочими и инженерно-техническими работниками. В эксплуатации сохраняются ремонтные базы, фонды запасных частей и полностью используется накопленный опыт по обслуживанию и ремонту дизелей 2Д100 тепловозов ТЭ3 и ТЭ7.