Повышение эффективности работы системы воздухоснабжения тепловозных дизелей на неустановившихся режимах

На правах рукописи

Становова Юлия Юрьевна

Повышение эффективности работы системы воздухоснабжения тепловозных дизелей

на неустановившихся режимах

Специальность 05.22.07 – «Подвижной состав железных дорог,

тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара 2012

Работа выполнена на кафедре «Локомотивы» ФГБОУ ВПО «Самарского государственного университета путей сообщения» (СамГУПС)

Научный руководитель: – доктор технических наук, профессор

Носырев Дмитрий Яковлевич

Официальные оппоненты: – доктор технических наук, профессор

Космодамианский Андрей Сергеевич

– кандидат технических наук, доцент

Анисимов Александр Сергеевич

Ведущая организация – ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

Защита диссертации состоится «__»____ 201__ г. в ______ часов на заседании диссертационного совета Д 218.011.01 Самарского государственного университета путей сообщения по адресу: 443066, г. Самара, 1-й Безымянный пер., 18, СамГУПС, в аудитории 5216, корпус 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан «__» 201__г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу диссертационного совета университета.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 218.011.01,

кандидат технических наук, доцент В.С. Целиковская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Мощность, экономичность, уровень экологического воздействия на окружающую среду и эксплуатационная надёжность тепловозных дизелей существенно зависят от качественной работы агрегатов наддува. Эффективность работы и экологическая безопасность дизельных двигателей транспортных средств существенно снижается на переходных и неустановившихся режимах.

Особенностью переходных процессов является значительное отличие индикаторных и эффективных показателей двигателя от их значений при соответствующих им установившихся режимах. При одинаковых цикловых подачах топлива на установившемся и неустановившемся режимах, связанных с ростом нагрузки, на неустановившемся достигается меньшая мощность. Снижение мощности на неустановившихся режимах приводит к росту удельного расхода топлива. Низкая экономичность и повышенная дымность выпускных газов на неустановившихся режимах связаны с рассогласованием подачи топлива и поступлением воздуха в цилиндры тепловозного дизеля, что приводит к ухудшению индикаторного и эффективного КПД

Диссертационная работа посвящена повышению эффективности работы системы воздухоснабжения тепловозных дизелей на переходных процессах.

Настоящая диссертационная работа выполнена в соответствии со Стратегическими направлениями научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г. («Белая книга» ОАО «РЖД»), Энергетической стратегией холдинга «Российские железные дороги» на период до 2015 года и на перспективы до 2030 года, и в соответствии со Стратегией развития железнодорожного транспорта РФ до 2030 года от 17 июня 2008 г.

Цель диссертационной работы: совершенствование методов сокращения времени переходных процессов в системе воздухоснабжения тепловозного дизеля, за счет снижения времени приемистости турбокомпрессора.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Провести анализ переходных процессов и выявить их влияния на технико-экономические показатели тепловозного дизеля.

2. Разработать математическую модель переходных процессов работы тепловозного дизеля на переходных режимах, позволяющую определять параметры рабочего тела во всех характерных точках газовоздушного тракта двигателя внутреннего сгорания, а также показатели качества работы системы воздухоснабжения.

3. На основании результатов исследования математической модели разработать мероприятия по совершенствованию системы воздухоснабжения тепловозного дизеля.

4. Провести расчетно-экспериментальную оценку по определению эффективности разработанных мероприятий сокращающих время переходного процесса.

5. Рассчитать ожидаемый экономический эффект от использования предложенных мероприятий регулирования давления наддува тепловозного дизеля.

Объект исследования

Система воздухоснабжения тепловозного дизеля 10Д100.

Предмет исследования

Переходные процессы и их влияние на технико-экономические показатели тепловозного дизеля.

Методы исследований

При выполнении работы использованы методы математического моделирования газодинамических процессов, методы математической статистики и теории вероятностей, компьютерного моделирования. Экспериментальная оценка параметров работы турбокомпрессора с применением систем регулирования наддува осуществлялась на стенде для испытания агрегатов наддува в локомотивном депо Моршанск Куйбышевской дирекции по ремонту тягового подвижного состава.

Обработка результатов испытаний турбокомпрессора, построение математической модели и программа расчетов выполнены в математических средах Excel и MathCAD.

Научная новизна

1. Разработана математическая модель работы тепловозного дизеля на переходных режимах, позволяющая определять параметры рабочего тела во всех характерных точках газовоздушного тракта двигателя внутреннего сгорания, а также показатели качества работы системы воздухоснабжения в зависимости от изменения нагружающего воздействия, отличающаяся от известных возможностью учитывать влияние регулировки системы воздухоснабжения (подкрутка ротора турбокомпрессора, подача дополнительного воздуха и др.) на параметры рабочего процесса.

2. Разработана методика, учитывающая особенности переходных процессов, которая позволяет сократить время приемистости турбокомпрессора тепловозного дизеля.

Положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель работы тепловозного дизеля на переходных режимах.

2. Разработанные мероприятия по совершенствованию системы наддува дизеля.

3. Методика регулирования давления наддува тепловозного дизеля.

Достоверность научных положений и результатов

Достоверность подтверждена путём сопоставления результатов моделирования с параметрами работы агрегатов наддува в ходе экспериментальных исследований. Расхождение расчётных и экспериментальных данных не превышает 8 %. Также достоверность результатов подтверждается использованием современных методов, методик исследования, применением сертифицированных приборов и устройств измерения; положительными результатами внедрения технических решений на Куйбышевской дирекции по ремонту тягового подвижного состава.

Практическая ценность

1. Разработана методика регулирования давления наддува тепловозного дизеля заключающаяся в подаче дополнительного воздуха и паров воды на турбину турбокомпрессора в начальный период переходного процесса и до стабилизации режима работы дизеля.

2. Разработаны мероприятия по совершенствованию системы наддува тепловозного дизеля, позволяющие сократить время переходных процессов, снизить удельный расход топлива и повысить показатели качества работы турбокомпрессора.

3. Разработаны системы регулирования давления наддува тепловозного дизеля. Системы защищены Патентами РФ № 82005 по кл. F02М 37/12 от. 6.11.08; № 108490 по кл. F02B39/00, F02D23/00 от 13.05.2011

Апробация работы

Основные результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались на V Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса» (Самара, 2009 г., СамГУПС), на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (Москва, 2007 г.), на научно-практической конференции «Надежность ж.д. техники и управление» (Самара, 2007 г. СамГУПС), на научно-практической конференции «Обеспечение безопасного функционирования автомобильного транспорта в Самарской области» (Самара, 2008 г.)

Публикации

По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе статей – 9, из них 2 в ведущих научных изданиях из Перечня ВАК РФ, 4 патента на полезную модель, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Материалы диссертационной работы содержат 142 страницы печатного текста, 7 таблиц и 32 рисунка, 3 приложения на 24 страницах. Список использованных источников состоит из 125 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и основные задачи исследования, представлена краткая характеристика ключевых аспектов работы.

В первой главе проведен анализ влияния переходных процессов на технико-экономические показатели тепловоза.

А.И. Володиным, А.Э. Симсоном и А.Э. Хомичем созданы методики оценки топливной экономичности дизелей в условиях эксплуатации с учетом установившихся режимов работы. В методиках В.Н. Васильева, А.П. Кудряша и А.Э. Хомича частично учитывается изменение эффективных показателей дизелей вследствие их работы в переходных режимах. Влияние переходных процессов на расход топлива предполагается учитывать путем введения дополнительных коэффициентов, значение которых находят на основании результатов сравнения расчетных и фактических расходов топлива тепловозов.

К работам в области улучшения качества рабочего процесса в переходных режимах относятся исследования В.А. Четвергова, Е.Е. Коссова и Сухопарова С.И., А.С. Космодамианского, Н.А. Фуфрянского, А.С. Анисимова и других.

Анализ теоретических и экспериментальных исследований по влиянию переходных процессов на технико-экономические показатели тепловозного дизеля показал, что время переходного процесса оказывает существенное влияние на экономические и экологические характеристики двигателя, что приводит к потере мощности и снижению экономичности последнего.

Таким образом, анализ опубликованных работ и проведённых исследований позволяет сделать следующие выводы:

1) исследование и анализ совместной работы дизеля и агрегатов системы наддува, являются важными в области повышения надежности дизельного тягового подвижного состава, повышения его экономических и экологических характеристик;

2) переходные процессы в дизелях с газотурбинным наддувом во многом зависят от режима работы турбокомпрессора, связано это с отставанием разгона ротора турбокомпрессора по сравнению с разгоном вала дизеля;

3) в настоящее время регулирование наддува в большинстве случаев не осуществляется.

С учётом вышеперечисленного были поставлены цель и задачи исследования в диссертационной работе.

Во второй главе на основании проведённого анализа влияния переходных процессов на технико-экономические показатели тепловоза разработана математическая модель работы тепловозного дизеля на переходных режимах, позволяющая определять параметры рабочего тела во всех характерных точках газовоздушного тракта двигателя внутреннего сгорания, а также показатели качества работы системы воздухоснабжения в зависимости от изменения нагружающего воздействия, отличающаяся от известных возможностью учитывать влияние регулировки системы воздухоснабжения (подкрутка ротора турбокомпрессора, подача дополнительного воздуха и др.) на параметры рабочего процесса.

Система уравнений математической модели состоит из двух основных групп:

- уравнений, описывающих квазистационарное течение рабочего тела по элементам дизеля и системы воздухоснабжения при фиксированных подаче топлива, угловой скорости коленчатого вала дизеля и роторов турбокомпрессоров, температурах теплоносителей, корпусных деталей выпускного тракта и наружного воздуха;

- дифференциальных уравнений, описывающих изменение во времени угловой скорости двигателя угловой скорости ротора турбокомпрессора в зависимости от нагружающего момента и момента сопротивления для двигателя и турбокомпрессора соответственно, а также уравнений массового баланса воздуха в ресивере и отработавших газов в выхлопном коллекторе.

В качестве методики расчета параметров рабочего процесса дизеля 10Д100 по результатам полномасштабных реостатных испытаний целесообразно использовать как метод Гриневецкого- Мазинга, так и метод Вибе.

В схеме газотурбинного наддува дизеля 10Д100 (рис. 1) были определены характерные точки, в которых проанализированы значения параметров, а также установлены зависимости мощности тягового генератора и дизеля от температуры и давления в газовоздушном тракте дизеля.

Рис. 1. Принципиальная схема тепловозного дизеля с высоким газотурбинным наддувом: Ф – фильтр надувочного воздуха, К –компрессор турбокомпрессора, КП – приводной центробежный нагнетатель, ТО – охладитель надувочного воздуха, Р – редуктор, Т – турбина турбокомпрессора,

Г – глушитель

При исследовании рабочих процессов дизеля изменение значений основных параметров за время dt в процессе газообмена использована комбинация методов Гриневецкого-Мазинга и Вибе совместно с уравнениями энергетического и массового баланса, описывающими процессы в воздушном ресивере и выпускном коллекторе.

Первая часть математической модели составлена из системы уравнений описывающей квазистационарное течение рабочего тела. При составлении этой системы уравнений были учтены нижеследующие моменты.

Принимается, что рабочий процесс дизеля в каждый момент времени однозначно описывается совокупностью текущих значений определяющих параметров (частота вращения коленчатого вала, цикловая подача топлива, температура теплоносителей на входе в дизель, количество и состояние рабочего тела в начале сжатия), не зависит от теплового состояния корпусных деталей цилиндропоршневой группы и неустановившихся процессов в топливной аппаратуре. При расчетах установившихся режимов эти допущения обеспечивают удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных данных.

Исследования ряда авторов показали, что в переходном процессе изменяются условия теплообмена в цилиндре двигателя, характер процесса топливоподачи, качество смесеобразования, условия смазки цилиндра и др. Влияние перечисленных факторов на рабочий процесс дизеля нестационарно по отношению к начальным условиям и характеру переходного процесса; точно учесть его трудно. В принятой методике влияние этих факторов на индикаторный КПД цикла и температуру тела в конце расширения оценивалось приближенно на основании экспериментальных данных.

Для расчета расхода рабочего тела с учетом принятых допущений используется система алгебраических уравнений (1), последовательно отражающих зависимости перепадов давлений и изменение температуры рабочего тела по элементам дизеля и агрегатов воздухоснабжения представленным на рис. 1, от расхода рабочего тела при заданных значениях параметров, зависящих от времени.

(1)

При решении системы алгебраических уравнений учитывалось, что начальное и конечное значения давления рабочего тела равны атмосферному.

В этом случае

(2)

Степени повышения давления i, в каждом сечении тракта зависят от расхода рабочего тела, начальных условий и ряда параметров, изменяющихся во времени. Так как течение рабочего тела принято квазистационарным, уравнения для определения расходов не зависят от времени в явном виде. Обозначим степени повышения давления в сечениях i через xi, расход рабочего тела по тракту у, а переменные, зависящие от времени, zj.

К последним относятся угловые скорости коленчатого вала и роторов турбокомпрессоров, температура теплоносителей и поверхностей охлаждения, расход топлива и другие величины. Полный набор переменных у и zj однозначно определяет степени повышения давления хi в элементах газовоздушного тракта:

(3)

Произведение всех xi постоянно, поэтому

(4)

Учитывая равенство (3), из выражения (4) получим:

(5)

Так как соотношения между переменными х и z нелинейные, при решении задачи использовали численный метод определения частных производных в равенстве. Приращения переменных zi, зависящих от времени, определяются из системы дифференциальных уравнений.

Из данного условия численным методом находим расход рабочего тела по тракту с учётом принятой погрешности .

Температура рабочего тела в конце видимого сгорания Tz определяется в результате решения термодинамического уравнения сгорания, предложенного в методе Гриневецкого-Мазинга:

, (6)

где - коэффициент использования теплоты в точке z индикаторной диа­граммы (концу видимого сгорания);

- коэффициент избытка воздуха в цилиндре двигателя;

- теоретически необходимое количество воздуха для сгорания единицы топлива;

- средние мольные изохорные теплоёмкости продуктов сгорания;

- средняя мольная изобарная теплоёмкость продуктов сгорания;

- коэффициент молекулярного изменения;

- низшая теплота сгорания топлива;

– степень повышения давления рабочего тела в процессе изохорического сгорания.

Температура газов на выходе из турбины представляет собой функцию перепада давлений и КПД T турбины

(7)

КПД турбины является функцией угловой скорости ротора турбокомпрессора, располагаемого напора и перепада давлений. Для турбины турбокомпрессора зависимость КПД во всем диапазоне возможных режимов работы, имеет вид

(8)

где HT— располагаемый напор турбины:

(9)

Численные коэффициенты в этой зависимости определены по результатам обработки экспериментальных данных, полученных при работе турбокомпрессора на стенде.

В качестве законов нагружения использовались функциональные зависимости мощности нагрузки и подачи топлива от времени или других параметров. В этом случае можно рассматривать только рабочие процессы в двигателе.

Полученные уравнения дизеля, турбокомпрессора, впускного и выпускного трубопроводов образуют систему дифференциальных уравнений, представляющих собой математическую модель дизеля с турбонаддувом. Эта система имеет вид:

(10)