Знакомьтесь: тепловоз ТЭРА1

[Admin]

Знакомьтесь: тепловоз ТЭРА1

Опыт создания российско-американского локомотива должен придать новый импульс развитию отечественного тепловозостроения

В прошлом номере журнала (см. «Локомотив» № 1, 2002 г.) читатели познакомились с особенностями используемого на российско-американском тепловозе ТЭРА1 электрического оборудования (тяговой передачей, вспомогательным оборудованием, микропроцессорной системой управления), в этом выпуске представлен дизель, который также изготовлен корпорацией «Дженерал Моторс» (США).

2. ДИЗЕЛЬ МОДЕЛИ 710G3B

С 1938 г. по проектам специалистов отделения «Электро-Мотив Дивижн» (ЭМД) корпорации «Дженерал Моторс» изготовлено свыше 60 тыс. двухтактных дизелей общей мощностью более 130 млн. л.с. Двигатели используются на локомотивах, морских судах, буровых установках нефтяных скважин, в коммунальных и промышленных энергетических установках, автомобилях-вездеходах В настоящее время ЭМД выпускает двухтактный 16-цилиндровый дизель модели 710G3B с турбонаддувом и прямоточной продувкой, малым весом на единицу мощности.

Серийное производство среднескоростных дизелей третьего поколения 710 началось в 1985 г. За базовую была принята модель 567, впервые изготовленная в 1938 г. Двигатели второго поколения (модель 645) появились в 1966 г. Разработчики дизеля 710 поставили цель повысить его топливную экономичность и надежность. Были увеличены ход поршня на 25,4 мм и рабочий объем цилиндра. Это в сочетании с использованием высокоэффективного турбокомпрессора и насоса-форсунки позволило увеличить степень расширения газов, улучшить продувку цилиндра.

Так появилась модель 710G3, имеющая номинальную мощность 2947 кВт при 900 об/мин.

В 1986 г. в конструкцию были внесены некоторые изменения, и в производство была запущена новая модель 710G3A с повышенной (на 1,5 %) топливной экономичностью. Затем в 1994 г. в двигатель были внесены дальнейшие изменения в результате которых и была создана модель 710G3B с номинальной мощностью 4150 л.с. (3095 кВт) и топливной экономичностью, возросшей еще на 1,5 %. Для современных 16-цилиндровых двухтактных дизелей это наивысшие показатели мощности и топливной экономичности.

ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИ

Принцип работы. Модель 710G3B представляет собой двухтактный дизель с прямоточной продувкой, открытой камерой сгорания, тарельчатыми клапанами, V-образным (45°) расположением цилиндров и верхними распределительными валами (рис. 1) Обозначение 710 относится к рабочему объему цилиндра в кубических дюймах. Литера «G» обозначает конструкцию коленчатого вала производство которого хронологически следует за конструкцией «F».

В каждом цилиндре дизеля цикл работы совершается за один оборот коленчатого вала. При этом поршень 1 (рис. 2) не выполняет роль воздушного насоса, как зто происходит в четырехтактном дизеле, где рабочий цикл совершается за два оборота коленчатого вала. Предусмотрены отдельные средства для очистки цилиндров от продуктов сгорания, а также подачи в них охлажденного воздуха. Дизель оснащен турбокомпрессором, который работает эффективнее, чем нагнетатели объемно го типа, используемые на двигателях других моделей.

Во время работы дизеля турбокомпрессор использует тепловую энергию выпускных газов 7, а также мощность зубчатой передачи 5, чтобы привести во вращение рабочее колесо турбины 8. Однако как только тепловой энергии выпускных газов оказь вается достаточно для самостоятельного вращения рабочего колеса 8 турбины, посредством обгонной муфты 6 происходит расцепление зубча ого привода. Затем турбина начинает вращать центробежный вентилятор, который гонит воздух в дизель.

Под действием центробежного вентилятора повышается давление воздуха и, следовательно, его температура Необходимо понизить температуру воздуха, чтобы увеличить его плотность до того, как он попадет в ресивер наддувочного воздуха. Для этой цели применяются специальные водяные охладители 11, пройдя через которые, охлажденный наддувочный воздух, имеющий более высокую сопоставимую плотность и, следовательно, содержащий больше кислорода, поступает в дизель.

Основные технические данные дизеля 710G3B приведены в таблице. Чтобы обеспечить дополнительный дюйм хода поршня, а также разместить немного больший по сравнению с предыдущими моделями турбокомпрессор, незначительно увеличены его габаритные размеры.

РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

При разработке дизеля 710G3B была оптимизирована конструкция многих элементов, непосредственно влияющих на качество работы поршня, гильзы цилиндра форсунки, турбокомпрессора и клапанного механизма. Благодаря повышению степени полноты сгорания и термического к.п.д. дизель 16-710G примерно на 10 % превзошел по топливной экономичности модель, имеющую литеру «F», которую изготавливали с 1980 г. В дизель 710G3B внесли дополнительные улучшения, повысившие этот показатель еще примерно на 3 %.

Степень полноты сгорания. Бла одаря компактной конструкции камеры сгорания, тщательно разработанному и согласованному движению воздуха и тонкому распылению струи топлива, в модели 710G3B достигается высокая степень полноты сгорания. В дизеле используется поршень с верхним кольцом, отстоящим на 19,05 мм (0,75 дюйма) от днища, благодаря чему достигается степень сжатия 16. Увеличенный ход поршня в модели 710 обеспечивает больший объем цилиндра при закрытых впускных окнах и выпускных клапанах. Это, в сочетании с высоким давлением в воздушной камере, увеличивает количество воздуха в цилиндре для сгорания.

Специалисты «Дженерал Моторс» экспериментально установили, что оптимальное направление окон образует угол 15° (измеряемый от радиального входа).

Впрыск топлива. В большинстве четырехтактных дизелей между топливными насосами и форсунками имеются трубки высокого давления. В топливной системе дизеля 710 насос и форсунка объединены в общий узел — насос-форсунку (рис. 3). Это позволяет исключить топливные трубки высокого давления, которые могут давать утечку.

Для повышения цикловой подачи топлива увеличен до 14,29 мм диаметр плунжера. Распылитель форсунки имеет семь отверстий диаметром 0,386 мм, просверленных под входным углом 150°. Благодаря такой конфигурации создаются сравнительно плоские и хорошо распыленные струи топлива, которые соответствуют размерам и форме камеры сгорания во всем диапазоне рабочих скоростей и нагрузок. Сокращена приблизительно на 4° общая фаза впрыска.

Термический к.п.д. Оптимизация фаз рабочего цикла дизеля непосредственно влияет на его рабочие характеристики. В двухтактном дизеле с прямоточной продувкой важно обеспечить достаточное опережение выпуска и время продувки цилиндра с минимальным сопротивлением потокам воздуха и выхлопных газов. В этом случае цилиндр заполняется воздухом более высокой степени чистоты.

Оптимальная фаза открытия выпускного клапана для дизеля 710G3B со степенью сжатия 16 составляет 109°. Это соответствует задержке фазы открытия по сравнению с предыдущими дизелями «Дженерал Моторс» приблизительно на 4,5°. Данное изменение фазы привело к снижению удельного расхода топлива на 0,6 % при одновременном уменьшении максимального давления в камере сгорания на 3 %.

При разработке дизеля 710G3B большое внимание уделили снижению максимального давления в камере сгорания, чтобы повысить надежность и долговечность узлов и деталей. Более раннее закрытие продувочных окон и более позднее закрытие выпускных клапанов на ходе сжатия способствуют уменьшению давлений сгорания топлива. Увеличение длины хода в сочетании с уменьшением продолжительности открытия продувочных окон и задержкой открытия клапанов повышает эффективную степень расширения при небольшом снижении эффективной степени сжатия.

Помимо этого, оптимальное начало впрыска при полной нагрузке в сочетании, как было отмечено, с благоприятными условиями сгорания, включая распыление топлива и закручивание потока воздуха, обеспечивают удовлетворительное управление скоростью нарастания давления. Это позволяет получить сравнительно низкую величину максимального давления и удовлетворительную степень расширения в цилиндре. Согласно данным «Дженерал Моторс», при номинальной частоте вращения коленчатого вала 900 об/мин и номинальной мощности (среднем эффективном давлении 1,055 МПа) удельный расход топлива составляет 196,4 г/кВт-ч (рис. 4).

Турбокомпрессор. Существенное улучшение топливной экономичности дизеля 710G3B достигнуто внесением усовершенствований в компрессорную и турбинную ступени турбокомпрессора. Для двигателей типа 710G были созданы турбокомпрессоры серии G, использующие прямой привод от зубчатой передачи через обгонную муфту (рис. 5). На режимах малой мощности дизеля, при которых энергии выпускных газов недостаточно, вращающиеся элементы компрессора работают от механического привода. С увеличением мощности дизеля мощность газовой турбины непрерывно возрастает, обеспечивая все большую долю потребной мощности компрессора до тех пор, пока для ее покрытия не будет достаточно одной газовой турбины. В этом случае механический привод отключается с помощью механизма свободного хода.

Агрегат быстро реагирует на требование увеличить расход воздуха при пуске и приспособлении к внезапно прикладываемой нагрузке. Кроме ого, зубчатая передача дает компрессору возможность обеспечить нужную подачу воздуха к цилиндрам двигателя при неполной нагрузке. Таким способом достигается высокая топливная экономичность. В процессе аэродинамической оптимизации агрегата серии G общий к.п.д. турбокомпрессора увеличился на 4 %.

Согласование характеристик турбокомпрессора и дизеля. Большой расход воздуха турбокомпрессором 16/20G в точках согласования составляет от 6,3 до 8,1 кг/с. Турбокомпрессоры согласуются с двигателями заданной номинальной мощности регулированием проходных сечений диффузора компрессора, а также соплового аппарата турбины. Этот процесс обеспечивает требуемый запас устойчивости по отношению к помпажу и достаточную пиковую характеристику.

Турбокомпрессоры 16/20G имеют общий ротор. Регулировка к.п.д. турбины в таком широком диапазоне согласования воздушных потоков осуществляется изменением угла наклона лопаток соплового аппарата. Оптимальный к.п.д. достигается либо на номинальной мощности, либо на мощности ниже номинальной, в зависимости от конкретного применения двигателя.

Конструктивные особенности. В конструкции узла силового цилиндра дизеля 710G3B сохранен давно зарекомендовавший себя в двигателях «Дженерал Моторс» принцип узловой унификации. По сравнению с предыдущими моделями поршень дизеля испытывает на 20 % большее боковое давление, что обусловлено более высоким давлением в цилиндре и увеличенным углом поворота шатуна. Возросшее боковое давление повышает опасность задира поверхности гильзы. Чтобы исключить эту возможность, на юбку поршня наносится оловянное покрытие, улучшающее прирабатываемость поршня и гильзы.

Поверхность перемычек выпускных окон и верхняя часть внутренней поверхности гильзы обработаны методом лазерного упрочнения. Для повышения прочности гильза снабжена ребром, улучшающим передачу нагрузки от головки на болт гильзы. Термические характеристики головки цилиндров лучше, чем у двигателей предыдущей моде ли благодаря увеличенному расходу воздуха, обеспечиваемому турбокомпрессором.

В дизеле 710 сохранен качающийся поршневой палец Механические и тепловые нагрузки на качающийся палец и подшипник не очень значительны. Предельная несущая способность подшипника качающегося пальца не установлена, поскольку за многие годы проводившихся испытании двигателей на повышенных нагрузках не было зафиксировано ни одного случая фрикционного разрушения этого узла.

Удобство технического обслуживания. Высокая ремонтопригодность и удобство обслуживания — отличительная черта двигателей «Дженерал Моторс» еще со времени выпуска первой серии 567. Детали, подлежащие техобслуживанию, проектируются как можно более легкими, доступ к ним обеспечивается через отверстия с легкосъемными крышками. Осмотр узлов цилиндров и элементов клапанной системы проводится легко и не требует значительной разборки.

Масса силового узла модели 710G3B составляет 204 кг. Многие узлы можно заменять полностью как самостоятельные блоки, что значительно сокращает время технического обслуживания. Процедуры затяжки резьбовых соединений очень прос ы. Подача воды обеспечивается с помощью простых болтовых разъемов. Для забора воздуха и выпуска о работавших газов не требуется никаких соединений, что значительно облегчает операции технического обслуживания по сравнению с четырехтактными двигателями аналогичного размера.

Инж. В.И. КАРЯНИН, г. Москва

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin