судовые эн«тш«сш УСТАНОВКИ судостю«™« ^
туры отработавших газов по цилиндрам
| ^N2,22^-6,214^+5,2912)
Pko —n
VTko
+(0,4872П;-0,5829По+0,22652)
-6,813по+14,386По+8,0627).
VTko
(11:
2. Определяются относитель- условие tgOЭ) | — тепловую перегрузку цилиндра, для исключения которой необходимо уменьшать подачу топлива на двигатель, пока не
будет выполнено условие ^оэ < |'«,р|.
В уравнении (11) все информативные параметры контролируются штатными приборами, поэтому оно может быть использовано для оперативной оценки теплового состояния деталей цилиндропоршне-вой группы по цилиндрам в судовых условиях. Контроль режимов ограничительной характеристики осуществляется по следующему алгоритму.
1. Замеряются параметры п, Рк, Гк и fg.
ные значения параметров по, рко,
гкои v , ,
3. По уравнениям типа (11) определяются относительные значения температуры отработавших газов по цилиндрам.
4. Сравниваются замеренные и рассчитанные относительные значения температур отработавших газов по цилиндрам.
5. Условие fgoэ < означает, что на данном цилиндре имеется запас по тепловой напряжённости, а
g°p,
средством замены fg на Pmi
Рис. 4. Гистограмма распределения погрешностей расчета по всему массиву исходных данных
В заключение следует отметить, что изложенные теоретические предпосылки позволяют формировать ограничительные по тепловой напряжённости характеристики судовых дизелей на основе других информативных параметров (например, по-
среднее индикаторное давление) при наличии технических средств для их оперативного контроля.
Литература
1. Камкин С. В., Возницкий И. В., Шмелев В. П. Эксплуатация судовых дизелей: Учебник для вузов. М.: Транспорт, 1990.
2. Техническое использование и диагностика судовых дизелей: Тексты лекций. М.: ЦРИА «Морфлот», 1982.
3. Кузькин В. Г., Минько А. А. Регулировка дизелей промысловых судов. М.: Агропромиздат, 1988.
роторный пульсирующим гидрореактивный двигатель -результаты предварительной расчетно-конструкторской проработки
В. И. Богданов, докт. техн. наук, тел. 8 4855-296485, ОАО «НПО «Сатурн», |А. В. Батенин, канд. техн. наук, Московский авиационный институт, А. В. Новиков, ОАО «НПО «Сатурн» удк 621.452.5
Московским авиационным институтом (МАИ) совместно с ФГУП «ММПП «Салют» создан экспериментальный образец (рис.1) пульсирующего гидрореактивного двигателя (ПуГРД). Двигатель [1] простой конструкции (без кривошипно-ша-тунного механизма) имеет хорошие тяговые характеристики (рис. 2). В этом типе двигателя совмещены функции двигателя и движителя — продукты сгорания непосредственно воздействуют на основную реактивную массу — воду, которая для продуктов сгорания является присоединенной массой. Двигатель (в основном как подвесной) может найти применение на малых судах, гидроциклах, спортивных и прогулочных катерах.
ционный электростартер-генератор, улучшающий эксплуатационные характеристики.
Схема ПуГРД представлена на рис. 3. Двигатель состоит из входного устройства 1 для забора воды, насоса 2 (спроектирован с учетом рекомендаций [3]) объемного типа (роторно-пластинчатый) для подачи воды и сжатия (водой как поршнем) воздуха в камере сгорания, цилинд-
Для улучшения габаритно-массовых и эксплуатационных характеристик предлагается дальнейшее развитие этого двигателя [1] с учетом результатов исследований пульсирующего рабочего процесса в реактивных двигателях [2]. Для этого увеличивается количество рабочих полостей (цилиндров), размещенных в самовращающемся роторе, что позволяет увеличить частоту рабочих пульсаций и соответственно тягу. При истечении реактивной струи (создающей тягу) из одной рабочей полости одновременно происходят процессы наполнения, сжатия и сгорания в других полостях, что должно качественно улучшать габаритно-массовые характеристики. Вращающийся ротор позволяет применить тради-
Рис. 1. Пульсирующий гидрореактивный двигатель
о
P
ko
n
о
СУДОСТРОЕНИЕ 4'2015
СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
рического ротора 3 с рабочими полостями 4, выполненными совместно с камерами сгорания. На стенках камеры сгорания нанесено термобарьерное покрытие 5 для уменьшения потерь тепла и улучшения условий сгорания. Ротор вращается в корпусе 6, на верхней крышке которого установлены топливная форсунка 7, свеча зажигания 8 и пламя-перебрасывающий канал 9, предназначенный для организации дежурного факела пламени в камере сгорания. Выход канала, свеча и форсунка сконцентрированы в одном месте для повышения надежности воспламенения топливовоздуш-ной смеси, в которой может находиться водяной пар. Возможна и карбюраторная система подачи топлива. Для продувки остаточных газов и подачи воздуха в рабочие полости служит нагнетатель Рута 10 с приводом от ротора 3. В нижней части рабочая полость 4 переходит в искривленный канал 12, создающий вращающий момент на роторе 3. Уплотнения рабочих полостей — лабиринтные, допускается использование и контактных, смазка опорных узлов осуществляется водой.
Рассмотрим работу двигателя на примере одной рабочей полости (рис. 3, рис. 4). На запуске ротор 3 с насосом 2 раскручиваются электростартером-генератором 13. Забортная вода насосом 2 под давлением 1,2 МПа подается в рабочую полость ротора, когда она снизу сообщена с входным устройством 1,
а сверху перекрыта верхней крышкой корпуса 6. При этом вода заполняет рабочую полость 4 и сжимает находящийся там воздух. При дальнейшем повороте ротора нижнее отверстие рабочей полости перекрывается нижней крышкой корпуса 6, а верхнее отверстие совмещается с топливной форсункой 7, свечой зажигания 8 и выходом пламе-перебрасывающего канала 9. При этом производится впрыск топлива, образовавшаяся топливовоздушная смесь (ТВС) воспламеняется свечой 8 (на запуске) или дежурным факелом (на основных режимах) через пламеперебрасывающий канал 9 от соседней рабочей полости со сгоревшей ТВС. При этом происходит сгорание в закрытом объеме с повышением давления до -5,1 МПа. При дальнейшем вращении ротора 3 нижнее отверстие рабочей полости 4 совмещается с выходным устройством 11, через которое вода истекает, создавая реактивную тягу. При протекании воды через искривленный канал 12 меняется направление ее течения, реакция от которого передается на ротор 3, обеспечивая его вращение. Эффект самовращения подтвержден экспериментально [2]. При дальнейшем повороте ротора после истечения
воды происходит совмещение верхнего отверстия рабочей полости 4 с выходом нагнетателя 10, который обеспечивает продувку рабочей полости 4 и заполнение ее воздухом. Для улучшения тяговых характеристик организована подача воды, минуя насос (заполнение водой осуществляется под действием скоростного напора), в сопло через обратный клапан при завершении истечения газа.
Так как режимы впуска и выпуска воды занимают основную часть времени рабочего цикла, эти процессы организованы одновременно в нескольких рабочих полостях при работе одной камеры сгорания.
Двигатель обладает такой хорошей экологической характеристикой, как бесшумность. Однако выхлопные газы, выпускемые в воду (токсичными в основном являются окись углерода CO и оксиды азота NOх), требуют проведения соответствующих экологических исследований. Был проведен предварительный анализ их возможного химического взаимодействия с водой, который показал, что CO и NO плохо растворимы в воде. Учитывая их кратковременный контакт, предполагается, что при этом токсичных соединений создаваться не
Рис. 3. Компоновочная схема ПуГРД:
1 — входное устройство; 2 — насос; 3 — ротор с камерами сгорания и рабочими полостями; 4 — рабочая полость; 5 — термобарьерное покрытие; 6 — корпус; 7 — топливная форсунка; 8 — свеча зажигания; 9 — пламеперебрасывающий канал; 10 — нагнетатель Рута; 11 — выходное устройство; 12 — искривленный канал; 13 — электростартер-генератор
СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ судостроение
Рис. 4. Принцип работы роторного ПуГРД (на примере одной рабочей полости)
будет. Двуокись азота N02, находящаяся в газах в незначительном количестве, может создавать кислую среду, и это требует дополнительного изучения.
Была выполнена предварительная расчетно-конструкторская проработка двигателя с принятой мощностью 23 кВт (30 л. с.). 3D-модель двигателя представлена на рис. 5. При термогазодинамическом и гидравлическом расчетах двигателя использована методика Московского авиационного института, апробированная при проектировании подобных двигателей. Методика создана на базе основных положений теории двигателей внутреннего сгорания [4]. Расчет рабочего процесса выполнен в одномерной, квазистационарной постановке, поэтому полученные результаты следует считать предварительными. Тепловой расчет ПуГРД выполнен с учетом допущения полного расширения (рис. 6).
Основные результаты предварительной расчетно-конструкторской проработки: диаметр рабочей полости 45 мм, высота рабочей полости 400 мм, степень сжатия 5, частота вращения ротора 600 об./мин, масса 40 кг.
Результаты теплового расчета ПуГРД при полном расширении
Параметры такта «впуск»
Твп К..................
^ кПа ...............
Параметры такта «сжатие»
.373 . .98
Тсж, К........................665,9
Pсж, кПа......................1187
Параметры такта «сгорание»
Т2, К .........................2865
Pz, кПа.......................5100
Параметры такта «расширение»
Тв, К .........................1886
Pв, кПа.......................672,3
Удельный расход топлива
Св, г/кВтч ...................148,4
Тяга двигателя P Н..........................987,7
Полное расширение газа в рабочем цилиндре и сопле происходит при длине сопла Lc =1,27 м. Для получения приемлемого габарита двигателя длина сопла принята равной 0,3 м. При этом расширение газа следует считать по терминологии, принятой в теории ДВС, продолженным, а не полным. Это вызовет снижение тяги и повышение удельного расхода топлива на 8% (до 910Н и 161,4 г/кВтч соответственно). Геометрическую форму
Рис. 5. ЭЭ-модель ПуГРД:
I — входное устройство; 2 — насос;
3 — ротор с камерами сгорания и рабочими полостями; 4 — рабочая полость; 5 — термобарьерное покрытие; 6 — корпус; 7 — топливная форсунка; 8 — св
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.