COMPARATIVE ANALYSIS OF MARINE DIESEL ENGINES BY ULTIMATE EFFICIENCY INCREASE UNDER DIRECT AIR FLOW CONTROL
Abstract and keywords
Abstract (English):
The paper presents a comparative analysis of the operational parameters and parameters of marine diesel engines obtained as a result of computational and theoretical studies with direct control of air flow using an adjustable turbocharger nozzle to ensure the maximum allowable efficiency of diesel engines. The objects under study are: two-stroke marine diesel engine, operating on the screw characteristics; marine four-stroke diesel working on the screw characteristics; marine four-stroke diesel working on the load characteristics. As a result of the rotation of the blades of the adjustable nozzle in the direction of reducing the angle of their installation the diesel engine efficiency increases. However, the maximum pressure of the cycle also increases, the pressure drop decreases during purging the cylinders, the effective angle of gas exit from the turbine nozzle decreases, and the compressor's surge stability margin changes. There has been studied the design potential of diesel engines for the maximum increase in their efficiency, which made it possible to accept the stable operation of the compressor in all the studied modes. In the course of the research, boundary values were found for the maximum pressure of the diesel cycle, the pressure drop for purging the cylinders and the effective angle of flow exit from the nozzle apparatus, beyond which the specified parameters did not go beyond all the studied modes of operation of diesels. Taking into account the limitations of the greatest potential for improving efficiency in the equity modes of loads has a four-stroke diesel engine, operating on the screw characteristics, the smallest capacity is the same petrol, but working on the load characteristics.

Keywords:
diesel engine, turbocharger, adjustable nozzle, rotary nozzle blades, of blade installation angle, cylinder blowout, working fluid parameters, operational characteristics
Text
Publication text (PDF): Read Download

Введение

Транспортные и промысловые морские суда традиционно оснащаются дизелями, не предусматривающими непосредственного воздействия на расход воздуха. Процессы газообмена в таких дизелях формируются внутренними связями термодинамических параметров рабочего тела, обусловленных режимом работы дизеля, его конструктивными особенностями, характеристикой взаимодействия с потребителем механической энергии [1, 2].

Наиболее эффективным способом воздействия на расход воздуха дизеля, способствующим повышению его экономичности и ресурса, является использование регулируемого соплового аппарата (РСА) турбонаддувочного агрегата [3, 4]. Исследования доказали, что каждый тип дизеля, оснащенный турбокомпрессором с РСА, на режимах долевых нагрузок по-разному реагирует на изменение давления наддува или расход воздуха. В связи с этим для каждого двигателя с учетом условий его эксплуатации устанавливается свой предел повышения экономичности при воздействии на расход воздуха с помощью РСА [5].

Продувка цилиндров дизеля сопровождается дополнительным расходом воздуха, при этом для четырехтактного дизеля требуется меньший удельный расход воздуха на продувку по сравнению с двухтактным дизелем. Повышенный расход воздуха требует увеличения мощности турбокомпрессора, в результате чего повышается давление в выпускном ресивере перед турбиной, а это снижает перепад давлений на продувку [6].

Факторы, ограничивающие повышение давления наддува путем поворота лопаток РСА на режимах долевых нагрузок:

  • максимальное давление сгорания топлива pz, превышение значения которого (установленного для режима полной нагрузки дизеля) не допускается;
  • перепад давлений на продувку цилиндров дизеля. С уменьшением относительной мощности двигателя снижается перепад давлений на продувку, что увеличивает коэффициент остаточных газов и, как следствие, уменьшает экономичность двигателя. При этом для режимов малой относительной мощности этот перепад давлений может стать отрицательным, что вызывает обратный заброс газов при продувке, негативно влияющий на ресурс двигателя [7];
  • угол поворота лопаток РСА. Для повышения давления наддува и, как следствие, повышения расхода воздуха на режимах долевых нагрузок уменьшают угол установки лопаток РСА, при этом уменьшается эффективный угол выхода газов из соплового аппарата, который не должен быть ниже 8 град, т. к. при меньших значениях этого угла снижается КПД турбины [8];
  • неустойчивая работа компрессора – помпаж.

Целью настоящей работы является сравнительный анализ конструктивных особенностей судового двухтактного дизеля, работающего по винтовой характеристике, и судового четырехтактного дизеля, эксплуатируемого по винтовой и нагрузочной характеристикам, по максимально допустимому повышению экономичности при управлении расходом воздуха на режимах долевых нагрузок РСА турбокомпрессора.

 

Методы и материалы исследования

Объекты исследований в предлагаемой работе:

  1. Двухтактный малооборотный дизель 7S50 MC, который используется в качестве главного двигателя на морских судах, с прямой передачей энергии на гребной винт. Номинальные характеристики дизеля: эффективная мощность – 10 010 кВт; частота вращения коленчатого вала – 130 об/мин; число цилиндров – 7; диаметр поршня – 0,5 м; ход поршня – 1,91 м; давление наддува – 0,37 МПа;
  2. Четырехтактный среднеоборотный дизель 8L 58/64, используемый на морских судах в качестве главного двигателя, как с механической, так и с электрической передачей. Эксплуатация дизеля реализуется и по винтовой, и по нагрузочной характеристике. Номинальные показатели дизеля: эффективная мощность – 11 230 кВт; частота вращения коленчатого вала – 428 об/мин; число цилиндров – 8; диаметр поршня – 0,58 м; ход поршня – 0,64 м; давление наддува – 0,377 МПа.

Исследования проводились расчетно-теоретическим способом по методике, в которой использовались проверенные алгоритмы тепловых и газодинамических расчетов дизелей [2, 7]. Эксплуатационные показатели и параметры дизелей, полученные для исходных вариантов (без использования РСА) в диапазоне мощностей от 100 до 25 %, соответствовали результатам заводских испытаний. Методом последовательных приближений вычисляли эксплуатационные показатели и параметры дизеля при назначенном давлении наддува (максимальном давлении сгорания pz или минимальном перепаде давлений на продувку цилиндров), значения которых изменялись поворотом лопаток РСА.

Следует отметить, что в настоящей работе проводился анализ конструктивных особенностей дизелей без учета изменения запаса устойчивости по помпажу компрессора турбонаддувочного агрегата. При внедрении РСА турбокомпрессора необходимо провести согласование характеристик компрессора, турбины и гидравлической характеристики дизеля, что потребует дополнительных исследований.

Проводился сравнительный анализ эксплуатационных показателей и параметров дизелей, полученных для исходного варианта и варианта с РСА турбокомпрессора, в широком диапазоне нагрузок дизеля. Нагрузка дизеля оценивалась его относительной мощностью:

                                                                                                                   

где Ne – эффективная мощность дизеля на конкретном режиме; Ne0 – эффективная мощность номинального режима.

Относительные изменения показателей и параметров определялись соотношением

                                                                                                               

где Bпоказатель или параметр для конкретного режима работы дизеля; B0 – показатель или параметр для номинального режима.

В процессе исследования дизелей с РСА турбокомпрессора было выявлено, что повышение давления наддува путем поворота лопаток вызвало снижение основных показателей тепловой напряженности. В то же время повысился основной показатель механической напряженности – максимальное давление цикла pz [9]. При планировании исследований предполагалось во всем диапазоне нагрузок дизеля поддерживать максимальное давление цикла на уровне, соответствующем режиму полной нагрузки. Однако с уменьшением относительной мощности дизеля понижался перепад давлений на продувку цилиндров, что требовало снижения pz до значения, которое удовлетворяет условиям нормальной продувки цилиндров.

 

Результаты исследования и их обсуждение

Снижение относительной мощности дизеля сопровождается уменьшением перепада давлений на продувку цилиндров. Основной причиной изменения перепада давлений является уменьшение температуры газа перед турбиной, а также снижение КПД турбины и компрессора при отклонении от номинального режима, что приводит к более интенсивному падению степени повышения давления в компрессоре, по сравнению с уменьшением степени понижения давления в турбине [5]. Повышение давления наддува в результате поворота лопаток РСА при уменьшении относительной мощности дизеля вызывает более интенсивное падение перепада давлений на продувку цилиндров, по сравнению с исходным вариантом. Это ограничивает возможности использования РСА для увеличения экономичности дизеля на режимах долевых нагрузок.

На рис. 1 приведены зависимости относительного изменения давления наддува от нагрузки дизеля для исходного варианта и варианта турбокомпрессора с РСА.

 

а

 

 

e

б

 

 

Рис. 1. Относительное изменение давления наддува в зависимости от нагрузки:
а – для исходного варианта; б – для варианта с РСА; 1 – 7
S50 MC;
2 – 8
L 58/64 – винтовая характеристика; 3 – 8L 58/64 – нагрузочная характеристика

 

Зависимости, представленные на рис. 1, б, получены с учетом того, что максимальное давление сгорания топлива pz не превышает значения, установленного для режима полной нагрузки дизеля, и удовлетворяет условиям нормальной продувки цилиндров, т. е. представляют предельно допустимые значения давления наддува.

Для исходного варианта при уменьшении нагрузки наибольшее снижение давления наддува имело место у двухтактного дизеля, которое при относительной мощности N̅e = 0,5 составило 47 %. Это можно объяснить более интенсивным падением мощности турбины турбокомпрессора двухтактного дизеля, относительная мощность которой для режима полной нагрузки дизеля на 30 % выше, чем у четырехтактного дизеля.

Использование РСА турбокомпрессора для управления расходом воздуха позволило повысить давление наддува дизелей (рис. 1, б). Как подтвердили исследования, наименьшие резервы для повышения давления наддува и, следовательно, экономичности выявлены у двухтактного дизеля, что можно объяснить повышенной относительной мощностью турбины турбокомпрессора при полной нагрузке дизеля, изначально это приводит к снижению перепада давлений на продувку цилиндров, по сравнению с четырехтактным дизелем. Перепад давлений на продувку цилиндров выполнял функцию основного ограничивающего фактора при повышении давления наддува.

Увеличение давления наддува в результате поворота лопаток РСА относительно исходного варианта в зависимости от нагрузки проиллюстрировано на рис. 2.

 

e