Протекание процессов. К впускным клапанам четырехтактного двигателя с наддувом воздух подводится под избыточным давлением из наддувочного коллектора. Увеличение массы воздуха при том же объеме цилиндра позволяет повысить цикловую подачу и получить большую- работу цикла, чем в двигателе без наддува. Это значит, что наддув является средством форсирования двигателя по работе цикла, п о среднему индикаторному давлению.
Любой способ форсирования сокращает срок службы двигателя, и хотя увеличение работы цикла отражается на нем в значительно меньшей степени, чем повышение средней скорости поршня, при внедрении наддува принимают меры к снижению тепловой напряженности деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ). Некоторые из них рассматривались выше, в данном параграфе будет сказано о мерах, относящихся к периоду газообмена.
Охлаждению деталей ЦПГ способствует продувка цилиндра наддувочным воздухом в конце хода выпуска. Ее можно осуществить в том случае, когда давление наддувочного воздуха будет больше давления в выпускном коллекторе. Если иметь в виду один цилиндр, то такое соотношение давлений реально. К концу хода выпуска давление за выпускным клапаном бывает выше атмосферного на величину сопротивлений трубопровода, турбины и, возможно, утилизационного котла с глушителем. Перечисленные сопротивления обусловливают давление в выпускном коллекторе в пределах 110 кПа (1,1 кгс/см2), тогда как давление наддувочного воздуха ниже 130 кПа (1,3 кгс/см2) не встречается.
В многоцилиндровом двигателе картина может быть другой. В начале свободного выпуска давление составляет 200—500 кПа (2—5 кгс/см2). Если двигатель имеет один выпускной коллектор, то импульсы в виде волн, соответствующих этому сравнительно высокому давлению, будут поступать в коллектор часто: через угол поворота вала, соответствующий углу между кривошипами. В результате в коллекторе установится среднее давление: меньшее, чем в начале, но большее, чем в конце выпуска. Оно будет мало отличаться от давления наддува, в связи g чем продувка цилиндра станет невозможной.
Следовательно, у многоцилиндрового двигателя необходима такая организация выпуска, чтобы к моменту закрытия выпускного клапана одного, цилиндра в коллекторе отсутствовал импульс от выпуска из другого цилиндра j Данное требование будет выполнено в том случае, если промежуток между выпусками из разных цилиндров будет больше продолжительности выпуска, т. е. не меньше 240° п. к. в. Исходя из этого, двигатели с газотурбинным наддувом оборудуют несколькими выпускными коллекторами: шестицилиндровый четырехтактный — двумя, восьмицилиндровый — четырьмя. Цилиндры к коллекторам присоединяют с учетом необходимости обеспечения указанного промежутка между выпусками.
Для повышения эффективности продувки цилиндра наддувочным воздухом увеличиваются угол запаздывания закрытия выпускного и угол опережения открытия впускного клапанов, а в конечном счете—угол перекрытия клапанов, который у дизелей с наддувом бывает от 75 до 142° п. к. в., если иметь в виду двигатели серийного флота.
Тепловая напряженность деталей ЦПГ снижается также при охлаждении наддувочного воздуха, для чего устанавливают воздухоохладители. При водяном охлаждении наддувочного воздуха его температуру по выходе из охладителя можно довести до значения, на 10—15°“ превышающего температуру охлаждающей воды. Обычно температура воздуха снижается в охладителе не менее чем на 20°.
Продувка цилиндра и охлаждение наддувочного воздуха не только снижают тепловую напряженность, но и повышают мощность двигателя: в результате продувки почти полностью удаляются остаточные газы, а вслед-
ствие охлаждения увеличивается плотность воздуха. И то и другое приводит к росту массы свежего заряда, что позволяет повысить цикловую подачу топлива.
Существует, однако, опасность, что введение охладителя, оказывающего сопротивление движению наддувочного воздуха, приведет к такому снижению давления впуска, которое сведет на нет эффект от охлаждения. Поэтому ГОСТ 10598—74 на охладители наддувочного воздуха требует, чтобы потеря давления воздуха в охладителе не превышала 1,75% давления наддува, а по абсолютному значению — 500’кгс/м2 (0,05 кгс/см2 или 5 кПа).
Компрессоры наддувочного воздуха. На речном флоте применяют лишь центробежные компрессоры наддувочного воздуха. Рабочее колесо, насаженное на вал, имеет лопатки, к которым через всасывающую камеру поступает воздух из атмосферы. Увлекаемый вращающимися лопатками воздух под действием центробежной силы движется по межлопаточным каналам в направлении от центра вала, затем через щелевой и улиточный диффузоры проходит к выходному патрубку.
К камере присоединяются воздушный фильтр и глушитель, предотвращающий шум всасывания. Для обеспечения безударного входа воздуха на лопатки рабочего колеса всасывающая камера снабжается иногда направляющим аппаратом. Однако обычно вместо него загибаются вперед входные кромки лопаток, образуя так называемый вращающийся направляющий аппарат. Большинство компрессоров наддувочного воздуха имеет лопатки, направленные радиально, и рабочее колесо 6 полузакрытого типа. Встречаются компрессоры с рабочим колесом закрытого типа: лопатки располагаются у них между двумя торцовыми стенками. У полузакрытого колеса одной (с внешнего торца) стенки нет. При закрытом колесе лопатки могут быть загнуты назад, что увеличивает КПД компрессора, но такое колесо применяют лишь при умеренных скоростях вращения.
Щелевой и улиточный диффузоры служат для преобразования кинетической энергии воздуха в потенциальную, т. е. для уменьшения скорости воздуха, за счет чего повышается его давление. Ширина b щели диффузора на выходе может быть больше, чем на входе. Однако даже при постоянной ширине щели, как это показано на рис. 117, площадь выходного сечения, равная яD2b, будет больше площади nDxb входного. Следовательно, скорость воздуха при выходе из диффузора будет меньше, чем при входе в него, а давление — выше. Щелевые диффузоры некоторых компрессоров имеют направляющие лопатки. Для компрессоров, работающих на переменных режимах, более приемлемы безлопаточные диффузоры.
Площадь поперечного сечения улиточного диффузора увеличивается по направлению к выходному патрубку. Значит, в этом диффузоре скорость воздуха будет продолжать уменьшаться, а давление — повышаться.
Газовые турбины. Двигатели средней и большой мощностей оборудуют для наддува газовой турбиной осевого типа. Она имеет входной и выходной корпуса, направляющий аппарат и ротор. Газы от двигателя поступают в подводящий канал корпуса через патрубок, проходят между лопатками аппарата и поступают в осевом направлении на лопатки, вращая при этом ротор. Отработавшие газы выхедят через патрубок корпуса. Для предохранения вала турбины от непосредственного действия отработавших газов и для предотвращения их завихрений-предусмотрен обтекатель.
При малом количестве газа высота лопаток ротора должна быть небольшой, что снижает КПД турбины. Поэтому для наддува двигателей малой мощности преимущественно получили распространение турбины радиального типа.
В радиальной турбине газы от двигателя подводятся по патрубку в распределительный канал корпуса, охватывающий направляющий аппарат по внешнему его диаметру. С лопаток направляющего аппарата газ движется в радиальном направлении (отсюда название турбины) на лопатки ротора. На лопатках ротора он меняет направление движения и выходит через патрубок в осевом направлении. Радиальные турбины обладают повышенной быстроходностью, что снижает надежность работы подшипников ротора.
Рабочие колеса радиальных турбин изготовляют, как правило, цельными из стального литья. Лопатки рабочих колес осевых турбин обычно выполняют отдельно и вставляют в гнезда ротора. Для предотвращения вибраций лопатки иногда сверлят и соединяют бандажной проволокой. Часто применяют лопатки, приваренные к ротору.
В турбокомпрессорах дизелей речного флота применяют реактивные газовые турбины. В них лопатки направляющего аппарата (н. а.) образуют каналы, сужающиеся по направлению к лопаткам ротора. Лопатки также образуют каналы переменного сечения, причем сечение их на входе газа больше, чем на выходе. С лопаток газы выходят в сторону, обратную движению лопаток.
Рис. 1. Схема центробежного компрес сора
Рис. 2. Схемы газовых турбин
Рис. 3. Работа газа в реактивной турбине
Питание газовых турбин. Как говорилось, на речном флоте применяют выпуск отработавшего газа у двигателей с наддувом в несколько коллекторов с тем, чтобы можно было организовать продувку цилиндра наддувочным воздухом. Сечение выпускных коллекторов делают небольшим. Давление газа в коллекторе и перед турбиной сохраняют почти таким же, как и при выходе из цилиндра, т. е. пульсирующим, импульсным. В связи с этим подобный газотурбинный наддув называется импульсным. Турбина при импульсном питании развивает мощность на 20—50% больше, чем она имела бы при постоянном давлении в выпускном коллекторе: выравнивание давления сопровождается появлением вихрей, на которые теряется часть энергии газа. Импульсная турбина быстрее набирает скорость при пуске двигателя или при увеличении на него нагрузки.
На рис. 4, а приведена схема трубопроводов для шестицилиндрового четырехтактного двигателя с импульсным наддувом. К двум выпускным коллекторам цилиндры присоединены попеременно, с учетом порядка их работы. Так, при порядке работы цилиндров 1—5—3—6—2—4 в один из коллекторов направляются газы из цилиндров, в другой — из цилиндров. Следовательно, в каждый из коллекторов газы будут поступать импульсами, следующими один за другим через 240°.
В схеме на рис. 4, а выпускные коллекторы имеют разные объемы: для цилиндров больше, чем для цилиндров. В связи с этим условия работы цилиндров и импульсы давлений перед турбиной будут разными. Чтобы выровнять условия работы цилиндров и турбины, иногда применяют особые порядки работы цилиндров. Так, у двигателя Д50 порядок работы цилиндров следующий: 1—3—5—6—4—2. Как видно из из рис. 4, б, объемы коллекторов в данном случае примерна равны. Такой же результат получается при порядке работы цилиндров, характерном для двигателей 6НФД48АУ.
У двигателей с числом цилиндров больше шести для организации импульсного питания турбины двух коллекторов становится недостаточно. Поэтому у восьмицилиндрового двигателя предусматривают четыре коллектора. На рис. 4, в дана схема для двигателя с порядком работы цилиндров 1—3—5—7—8—6—4—2.
При газотурбинном наддуве образуется силовая установка, объединяющая два тепловых двигателя: дизель и газовую турбину, причем дизель обеспечивает турбину рабочим газом, а она приводит в движение компрессор, питающий дизель воздухом. Экономичность и надежность такой комбинированной силовой установки зависят от согласованности работы ее составных частей, т. е. дизеля, турбины и компрессора.
Рис. 4. Схемы газопроводов при наддуве