[07-2013] Охлаждающее устройство для современных тепловозов: каким ему быть?

[Admin]

Охлаждающее устройство для современных тепловозов: каким ему быть?

Охлаждающее устройство (далее ОУ или устройство) являются одним из важнейших узлов оборудования тепловоза. Обычно ОУ занимает до 20 % свободного пространства кузова тепловоза, а на его функционирование может расходоваться от 4 до 8 % мощности силовой установки тепловоза.

Основными элементами ОУ являются:

□ блоки радиаторов «горячего» (далее ГК) и «холодного» (далее ХК) контуров циркуляции воды;

□ вентиляторная установка (ВУ, одна или несколько);

□ шахта холодильника (или просто шахта);

□ боковые жалюзи;

□ система автоматического регулирования температур теплоносителей (далее САРТ).

Верхние жалюзи (далее ВЖ) обычно входят в состав ВУ и отдельно не выделяются. Следует оговориться, что по общепринятой классификации САРТ не является элементом ОУ, а входит в состав системы охлаждения тепловоза. Но в данной статье этот элемент будет рассматриваться исключительно в контексте с ОУ.

ОУ предназначено для поддержания температур теплоносителей дизеля на рекомендуемых уровнях на всех режимах его нагрузок и во всем допустимом диапазоне температур атмосферного воздуха. При его экстремальных температурах (выше 30 °С) и высоких нагрузках дизеля (выше 13-й позиции контроллера машиниста) допускается кратковременная эксплуатация тепловоза с температурами теплоносителей выше рекомендованных, но не выше максимально допустимых значений.

Рекомендуемые и максимально-допустимые температуры еоды, масла и наддувочного воздуха регламентированы технической документацией на дизель-генераторные установки Максимально-допустимая температура воды ГК зависит от типа системы охлаждения: для закрытого типа обычно устанавливается предел на уровне 105 °С, а для открытого типа — 95 — 96 °С. Расчет и проектирование параметров ОУ осуществляется именно для реализации экстремальных условий работы тепловоза с учетом 15%-ного запаса по теплорассеивающей способности радиаторов.

Проектирование ОУ усложнено тем, что его габариты и затраты мощности силовой установкой на его функционирование ограничены. Обычно в задачу проектировщиков входит минимизация затрат мощности силовой установки на функционирование ОУ при заданных его габаритах (обычно максимально допустимых).

По мере совершенствования тепловозов и, особенно, с ростом их секционной мощности, растут и требования, предъявляемые к ОУ. Охлаждающие устройства современных, более мощных тепловозов, должны обеспечивать увеличенный теплоотвод практически в тех же габаритах, что у существующих. Удельные затраты мощности на их функционирование, напротив, должны снижаться по сравнению с существующими аналогами. Другими словами, эффективность ОУ перспективных тепловозов должна быть выше, чем у существующих.

Повысить эффективность ОУ можно различными способами. Наиболее очевидные из них следующие:

- повышение эффективности теплорассеивающей способности (далее ТРС) секций водовоздушных радиаторов и снижение их аэродинамического сопротивления;

- увеличение производительности ВУ с одновременным повышением их экономичности;

- снижение сопутствующих аэродинамических потерь при течении воздуха в шахтах.

Однако очевидные пути уже пройдены, и существенных успехов в этом направлении добиться крайне затруднительно. Так, в блоках радиаторов ОУ современных тепловозов применяются секции радиаторов Р62-131.00.000 (г. Луганск, Украина) или их российский аналог 9717.000, у которых сочетание теплорассеивающей способности и аэродинамического сопротивления находятся на очень высоком уровне. Указанный тип секции создавался не один десяток лет. Над оптимизацией параметров секции трудились видные ученые. Ей посвящен целый ряд расчетно-экспериментальных работ.

По мнению автора, в рамках существующих критериев сравнения радиаторов превзойти теплоэнергетический потенциал такой секции в ближайшее десятилетие вряд ли получится. Наоборот, из-за повышенной склонности таких секций к загрязнению со стороны воды, в эксплуатации наблюдается тенденция к замене высокоэффективных секций на менее эффективные типа 7317.000, но которые в меньшей степени подвержены загрязнению внутренних полостей охлаждающих трубок.

По суждению специалистов локомотивных депо, потеря от 20 до 30 % теплорассеивающей способности блоков радиаторов при замене высокоэффективных секций на менее эффективные мало отражается на экономических показателях тепловоза, но положительно сказывается на показателях его надежности. Очевидно, что пожелания работников локомотивных эксплуатационных депо должны быть учтены при строительстве новых тепловозов. Однако выполнение таких пожеланий существенно усложнит и без того не легкую задачу создания более эффективного ОУ.

Следует отметить, что создание более эффективного радиатора для тепловозных охлаждающих устройств все же возможно. Ранее не случайно была сделана оговорка — «в рамках существующих критериев сравнения». Очевидно, что при создании нового радиатора следует руководствоваться некоторыми критериями, с помощью которых можно количественно оценить целесообразность проведения разработки и освоения нового и очень трудозатратного производства водовоздушных радиаторов.
Существующие критерии сравнения были приняты, исходя из общих принципов проектирования охлаждающих устройств энергетических установок, и не учитывали конструктивные и ограничительные особенности работы радиаторов в ОУ тепловозов. С учетом же таких условий существует лазейка для создания радиаторов, может быть и не самых эффективных по общепринятым меркам, но способных ощутимо повысить эффективность охлаждающих устройств современных и уже существующих тепловозов. Расшифровка основополагающих принципов таких критериев сравнения выходит за рамки настоящей работы. Автором подготовлена отдельная работа, посвященная этой проблеме.

Повышение эффективности ОУ благодаря применению более экономичных вентиляторных установок также достигло своего «потолка». На тепловозах 2ТЭ25А и ТЭП70 уже давно применяются вентиляторные установки с КПД 0,8 — 0,82 %. Попытки увеличения этого параметра приводят к неоправданным затратам при относительно малых результатах.

Справедливости ради следует признать, что стремление к повышению их эффективности оправдано только с позиции облегчения веса и снижения габаритов привода вентиляторных установок. Экономическое значение оно имеет слабое. Это объясняется тем, что значения затрат среднеэксплуатационной мощности силовой установки на привод вентиляторных установок относительно небольшие В несравненно большей степени негативное влияние на эксплуатационную экономичность работы ОУ оказывают другие его элементы (речь о них пойдет ниже),

Следует отметить, что существует такой показатель, как «коэффициент полезного использования мощности дизеля тепловоза при выполнении тяговой работы по перемещению составов», который регламентируется соответствующим документом и на текущий момент должен составлять не менее 0,78. Если при экспериментальном определении этого коэффициента руководствоваться максимальными значениями затрат мощности на привод ВУ, которые составляют значительную долю в общих затратах мощности на вспомогательные нужды тепловоза, то применение высокоэффективных вентиляторов может быть оправданным. Однако до сих пор ведутся споры по методике его экспериментальной оценки. На лицо явное противоречие.

Номинальная мощность дизелей типа Д49 регламентируется при температуре атмосферного воздуха 20 °С и определенном сочетании температур воды, масла, топлива и наддувочного воздуха. Но при такой температуре окружающей среды нет нужды в полной производительности вентиляторных установок для поддержания температур теплоносителей дизеля на регламентированных уровнях. Попытка включения их на полную мощность неизбежно переохладит теплоносители дизеля и автоматически приведет к неправомочности получения показателя. Поэтому оценка коэффициента использования мощности тепловозом часто производится при частичной производительности вентиляторных установок. А так как затраты мощности на ее привод пропорциональны кубу производительности, то при определении коэффициента использования полезной мощности тепловоза значение мощности вентиляторных установок существенно ниже номинала.

Таким образом, жесткие требования по ограничению их мощности не оказывают существенного влияния на показатели эффективной работы тепловоза, и по формальному признаку их можно оспаривать. Следовательно, нет нужды и в применении высокоэффективных вентиляторных установок, так как такие установки существенно сложнее и дороже простых вентиляторов типа УК-2М, уже много лет используемых в охлаждающих устройствах тепловозов. По моему мнению, применение на ТЭП70 высокоэкономичного вентилятора с приводом от компактного и относительно легкого гидромотора имеет больше научный, чем экономический интерес, а применение экономичной вентиляторной установки на тепловозе 2ТЭ25А — мероприятие вынужденное, обусловленное ограничениями по весу и габаритам электропривода для такой установки.

Повышение эффективности ОУ за счет Снижения аэродинамических потерь в шахте холодильника теоретически возможно. Потери аэродинамической мощности в каналах шахт существующих тепловозов выше или соизмеримы со значениями сопротивления блоков радиаторов или так называемого «полезного» сопротивления. Например, сопутствующие аэродинамические потери в шахте тепловоза 2ТЭ10М составляют 72 % от полного напора вентиляторных установок. Для тепловозов 2ТЭ116 и ТЭП70 этот показатель несколько ниже — на уровне 58 — 60 %. Тепловозы 2ТЭ25А и 2ТЭ10У имеют самый низкий уровень непроизводительных потерь — 39 и 32 % соответственно. Но и такой уровень составляет достаточно весомую часть непродуктивных затрат топлива на привод вентиляторных установок, которые включают в себя:

- потери в боковых жалюзи;

- потери в каналах шахты на трение и поджатие потока воздуха;

- потери на повороты потока воздуха при входе и выходе из блоков радиаторов;

- динамические (скоростные) потери при выходе воздуха в атмосферу.

Потери в боковых жалюзи составляют приблизительно 15 % от полного напора вентиляторных установок и обусловлены конструктивными особенностями створок. Снизить такие потери возможно за счет применения более обтекаемого профиля створок, но существенного улучшения эффективности ОУ это не принесет.

Динамические потери напора вентиляторных установок с выходом потока воздуха в атмосферу составляют более 50 % всего аэродинамического сопротивления шахты. Снизить эти потери можно с помощью применения выходных диффузоров, преобразующих динамическое давление воздуха в статическое. Однако снижение такого вида потерь нецелесообразно по двум причинам. Во-первых, выходной диффузор имеет достаточно большой осевой размер и его размещение в кры-шевой части кузова тепловоза затруднительно по компоновочным соображениям. Во-вторых, скоростной напор воздуха при выходе его в атмосферу из вентиляторных установок несет определенную функциональную нагрузку.

При движении тепловоза с определенной скоростью горячий воздух и выхлопные газы дизеля прижимаются к кузову и попадают в зону разрежения боковых жалюзи соседней секции тепловоза. При этом существенно снижается теплорассеивающая способность ОУ этой секции. Кроме того, продукты неполного сгорания топлива и масла, присутствующие в выхлопных газах, откладываются на передних кромках охлаждающих пластин радиаторов. В дальнейшем к маслянистой поверхности прилипают пыль, тополиный пух и прочие вещества, в результате чего воздушные каналы частично или даже полностью закупориваются.

Воздушный факел, образованный работающей вентиляторной установкой, является своеобразным отбойником, препятствующим попаданию горячего воздуха и выхлопных газов дизеля на передние кромки радиаторов соседней секции тепловоза. Таким образом, стремление к снижению динамических потерь шахты холодильника, в том числе благодаря применению вентиляторных установок с увеличенным диаметром вентиляторного колеса (ТЭП70), должно быть разумным.

Снижению аэродинамических потерь шахты, связанных с поворотами потоков воздуха до и после радиаторов, а также с поджатием потока воздуха в шахте, посвящено много расчетно* экспериментальных работ. Наиболее полно результаты представлены в работе Ю.А. Куликова «Системы охлаждения силовых установок тепловозов». Шахты современных тепловозов проектируют с учетом рекомендаций, представленных в ней. Однако выполнение таких советов в полной мере затруднено конструктивными и компоновочными особенностями блоков радиаторов и вентиляторных установок.

Из эксплуатируемого парка тепловозов наилучшие аэродинамические характеристики имеют шахты, установленные на тепловозах 2ТЭ25А. Это объясняется тем, что на тепловозе применены секции водовоздушного радиатора укороченной длины (7317.100) в сочетании с вентиляторной установкой диаметром 1600 мм. Применение таких секций позволило, с одной стороны, снизить коэффициент поджатия воздуха в шахте (соотношение площади радиаторов к площади для выхода воздуха в атмосферу), а с другой стороны, установить блоки радиаторов с оптимальными углами наклона относительно вертикальной оси тепловоза.

Таким образом, явные конструктивные и технологические ресурсы, позволяющие повысить эффективность ОУ, можно признать практически полностью исчерпанными.

В то же время, существуют и неявные пути. Один из них — создание радиатора с теплоэнергетическими показателями, ра-
циональными для применения в шахтах ОУ тепловозов. Второй — использование двухрядной конструкции блоков радиаторов.

Как известно, водяные системы большинства тепловозов выполнены двухконтурными. В ГК циркулирует вода, которая охлаждает дизель, а в ХК — вода, охлаждающая масло и наддувочный воздух. Уровень температур воды в контурах различен, и эта разница может достигать более 30 <5С. Различны, соответственно, и уровни нагрева охлаждающего воздуха в радиаторах разных контуров. Другими словами, воздух при выходе из радиатора хк существенно холоднее, чем при выходе из радиатора ГК. При традиционной аэродинамической схеме охлаждения с однорядным расположением радиаторов весь воздух выбрасывается в атмосферу после однократного использования. Однако энергетический потенциал воздуха, охлаждающего ХК, еще достаточно велик, и его можно использовать для охлаждения воды ГК.

Технически это достигается расположением радиатора ГК непосредственно за радиатором ХК. При этом наблюдается, с одной стороны, снижение эффективности охлаждения воды ГК, обусловленное повышенной температурой охлаждающего воздуха, нагретого в радиаторах ХК, с другой, повышение эффективности этого контура, обусловленное почти троекратным увеличением фронта его радиатора.

В силу особого сочетания значений теплоотводов от теплоносителей дизеля типа Д49, расходов воздуха через блоки радиаторов и допустимых значений температур воды, прежде всего ГК, увеличение фронта радиатора ГК носит опережающий характер по сравнению с увеличением температуры воздуха перед его фронтом. Условия охлаждения воды ХК также улучшаются, так как фронт охлаждения радиаторов этого контура увеличивается в полтора раза.

Применительно к охлаждающему устройству тепловоза 2ТЭ25А сочетание указанных факторов позволило уменьшить глубину радиаторов ГК вдвое, а высоту фронта всего блока — почти в 1,5 раза. Что касается ОУ тепловоза ТЭП70, у которого нет острой необходимости в сокращении высоты фронта радиаторов, применение двухрядной конструкции в зависимости от поставленной цели позволило бы:

- увеличить диапазон использования тепловоза по температуре атмосферного воздуха до 49 °С (см. таблицу, вариант 2) или сократить свыше 60 % затраты мощности на привод вентиляторной установки при сохранении площади фронта и применении серийных секций типа 9717.000 в обоих рядах (см. таблицу, вариант 3). Однако при этом количество секций и вес блоков радиаторов увеличатся вдвое;

- сократить фронт радиатора на 25 % за счет ликвидации количества спаренных, одинаковых по глубине секций до 29 шт. (см. таблицу, вариант 4) при сохранении мощности на привод вентиляторной установки Однако при этом на 23 % возрастет суммарный вес блоков радиаторов. Кроме того, из-за сокращения длины ОУ возникнет необходимость применения вентиляторной установки с уменьшенным диаметром (1,4 м) и увеличенной частотой вращения рабочего колеса;
- снизить вес и глубину всего блока радиаторов на 22 % за счет применения облегченных радиаторов с оптимальным сочетанием глубин для ГК и ХК о заданных габаритах фронта и при сохранении мощности привода вентиляторной установки на прежнем уровне (см. таблицу, вариант 5). Однако при этом необходимо создание двух новых типов водовоздушных радиаторов с глубиной 57 мм (два ряда трубок) и 90 мм (четыре ряда трубок);

- снизить мощность привода вентиляторной установки на 35 % при сохранении массогабаритных параметров блоков радиаторов. Однако при этом необходимо создание двух новых типов водовоздушных радиаторов с глубиной 72 мм (три ряда трубок) и 114 мм (пять рядов трубок);

- применить комбинацию указанных мероприятий для создания ОУ, по типу охлаждающего устоойства тепловоза 2ТЭ25А или даже унифицированного с ним.

Значения параметров ОУ, приведенные в таблице, получены расчетным путем. В расчетах использовались также результаты теплотехнических и аэродинамических испытаний секций типа 9717.000, полной и половинной глубины, проведенные автором на стенде ОАО «ВНИИЖТ».

Выше изложено описание проблем при создании ОУ тепловозов и возможные пути их решения, Далее приведу доводы о целесообразности проведения таких мероприятий.

Действительно, стоило ли «ломать копья»? Как показывает практика эксплуатации отечественных тепловозов, теплорассеивающий потенциал ОУ используется менее, чем наполовину. И дело тут не только в загрязнении внутренних полостей трубок радиаторов. Ранее уже отмечалось, что в эксплуатации отдают предпочтение менее эффективным секциям, но и менее засоряемым. Так, при выходе из строя штатных секций типа 9717.000 заменяют их секциями типа 7317.000. Подобная замена приводит к снижению теплорассеивающей способности ОУ на 22 — 40 % (зависит от многих параметров ОУ и, прежде всего, от скорости воды в трубках радиаторов). Кроме того, подавляющее большинство тепловозов 2ТЭ116, 2ТЭ10 и М62 эксплуатируются с недемонтированными утеплительными щитами в летнее время года. По самым скромным подсчетам, такая эксплуатация приводит к потере от 30 до 45 % теплорассеивающей способности радиаторов.

Применение радиаторов с сильно замятыми передними кромками охлаждающих пластин (явление относительно нередкое), использование так называемых ремонтных радиаторов, ну и, конечно, загрязнение внутренних и наружных поверхностей теплоотдачи секций в эксплуатации — все это существенно сказывается на общей теплорассеивающей способности охлаждающего устройства. Если добавить к этому несовершенство САРТ отдельных тепловозов, таких как 2ТЭ116, ТЭМ2, ТЭМ18Д (ДМ), приводящее к ощутимому перерасходу топлива силовой установкой тепловоза на привод вентиляторной установки, то жесткие требования, предъявляемые к ОУ при создании тепловоза, выглядят, по меньшей мере, несерьезными.

Рассмотрим 15%-ный запас по теплорассеивающей способности радиаторов. С одной стороны, обеспечение такого параметра заставляет проектировщиков применять увеличенное количество секций в блоке радиаторов, а также конструкцию вентиляторной установки и, соответственно, его привод, с 30 — 40%-ным запасом по мощности. Это, во-первых, приводит к заметному удорожанию ОУ, а во-вторых, создает серьезные компоновочные трудности при выборе оптимальных конструктивных параметров охлаждающего устройства. С другой стороны, соблюдение 15%-ного запаса не только не контролируется в эксплуатации, но, в большинстве случаев, априорно не соблюдается.

Отклонение теплорассеивающей способности ОУ от номинала нередко достигает 50 — 70 %, т.е. используется только от половины до трети потенциала охлаждающего устройства. И этому есть две объективные причины. Во-первых, в силу особенностей загрузки тепловозов на дорогах России в сочетании с вероятностью реализации экстремально-высоких температур атмосферного воздуха, вероятность перегрева теплоносителей в пути следования составов очень низкая. Но даже в случае реализации сочетаний внешних условий, приводящих к перегреву теплоносителей, у машиниста есть целый арсенал возможностей его избежать (например, снизив нагрузку силовой установки при опасности перегрева теплоносителей или используя инерционность прогрева большой массы теплоносителей на непродолжительных участках реализации высоких нагрузок дизеля). Во-вторых, несмотря на ощутимые дополнительные среднеэксплуатационные затраты, связанные с потерей теплорассеивающей способности ОУ, выявить такие потери в эксплуатации чрезвычайно трудно.

Поэтому возникает закономерный вопрос о правомочности и экономической целесообразности соблюдения существующих требозаний к ОУ при создании пер-
спективного тепловоза. Так, охлаждающие устройства тепловозов 2ТЭ116 и М62 могли быть изначально выполнены с блоками радиаторов, состоящих из секций укороченной длины типа 7317.100, и с упразднением верхних утеплительных щитов.

Безусловно, такое ОУ не отвечало бы требованиям, предъявляемым к тепловозам. Однако строительные затраты при этом были бы существенно ниже, а эксплуатационные затраты — остались бы на существующем уровне. Кроме того, использование секций радиаторов укороченной длины позволило бы улучшить аэродинамические характеристики шахты холодильника и высвободить пространство для размещения дополнительного оборудования под шахтой ОУ.

В неменьшей степени это касается и ОУ относительно современного тепловоза 2ТЭ25А. Даже при позитивных исходных конструктивных и технических характеристиках его охлаждающего устройства наличие утеплительных щитов сводит это преимущество на нет.

Щиты нетехнологичны для монтажа и демонтажа, а также не ясно где и как хранить столь громоздкое сооружение в межсезонье. Заранее очевидно, что они вряд ли будут демонтироваться в летнее время года.

Безусловно, защита от переохлаждения передних рядов трубок радиаторов должна быть. Но, если не касаться особенностей конструкции этих щитов, то тогда усилия, затраченные проектировщиками на создание высокоэффективной ОУ этого тепловоза, можно признать напрасными.

Из изложенного можно сделать следующий вывод: существующие требования, предъявляемые к ОУ тепловозов, весьма спорны и требуют или четкого экономического обоснования, или пересмотра с учетом всех сопутствующих факторов.

В.И. ГОРИН, старший научный сотрудник ОАО «ВНИИЖТ»

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin