Применение турбокомпрессора ТК18В-57 для маневровых тепловозов
Д.С. ШЕСТАКОВ, канд. техн, наук, начальник отдела разработки двигателей ООО «Уральский дизель-моторный завод»,
П.П. СКВОРЦОВ, генеральный директор ООО «Уральский дизель-моторный завод»
УДК 62-123
Ключевые слова: турбокомпрессор, дизель, схема замера параметров, испытания, гидравлическая характеристика, помпаж.
В данной статье описаны особенности производства турбокомпрессора ТК18В-57, приведена схема замера его параметров на дизеле 8ДМ21/21. Представлены полученные результаты испытаний опытного дизеля 8ДМ-21/21 с турбокомпрессором ТК18В-57. Построены гидравлическая характеристика дизеля и графики изменения параметров на всех режимах работы.
Работа поршневого двигателя внутреннего сгорания с наддувом в значительной мере определяется совершенством системы воздухоснабжения. Создание высокоэффективных агрегатов наддува позволяет не только повысить мощность двигателя без увеличения их веса и габаритов, но и уменьшить величину расхода топлива С 2009 г. на тепловозных дизель-генераторах ДГ880Л и ДГ882Л, предназначенных для установки на маневровые тепловозы ТЭМ9 и ТЭМ14, применяется турбокомпрессор ТК18В-57 с осевой турбиной и консольным расположением колес.
Турбокомпрессор ТК18В-57 (рис. 1) был разработан ООО «СКБТ» (г. Пенза) специально для тепловозных дизелей ряда ДМ-21Л [1]. При этом была учтена специфика работы маневровых и промышленных тепловозов, значительную (а иногда и основную) долю в общей наработке которых составляют частичные и нестационарные (переходные) режимы. Турбокомпрессор ТК18В-57 имеет специальную настройку и профилировку проточных частей компрессора и турбины. В частности, в его конструкции применены тангенциальный наклон лопаток соплового аппарата турбины и реактивное колесо компрессора. Применение данных решений в комплексе позволило обеспечить необходимую для маневровых машин всережимность и приемистость.
Турбокомпрессор сочетает в себе отработанные и апробированные элементы с рядом оригинальных решений. В случае необходимости турбокомпрессор может комплектоваться унифицированным для данной серии устройством замера частоты вращения ротора. В связи с тем, что турбокомпрессор ТК18В-57 был создан на базе консольных турбокомпрессоров высокого наддува серии «1820», разработанных для высокофорсированных двигателей, он обладает значительными запасами по прочности и работоспособности, а также резервом по давлению наддува.
При изготовлении ответственных элементов турбокомпрессора на ООО «СКБТ» применяются современные материалы, оборудование и технологии. Так, колесо компрессора фрезеруется на обрабатывающих центрах с числовым программным управлением из высокопрочного алюминиевого сплава. Колесо турбины отливается точным литьем в вакууме из сплава, отличающегося не только жаропрочностью, но и высокой ударной вязкостью и, соответственно, стойкостью к образованию трещин. Соединение колеса турбины с валом производится сваркой трением с последующим контролем методами неразрушающей дефектоскопии. Для балансировки роторов используется высокоточное оборудование ведущих зарубежных и российских производителей.
Эффективность системы наддува дизеля в значительной степени определяется сечениями соплового аппарата и лопаточного диффузора и профилированием проточной части турбины и компрессора [2]. С целью подтверждения соответствия параметров дизель-гене-ратора ДГ882Л с турбокомпрессором ТК18В-57 техническим условиям на опытном образце дизеля 8ДМ-21/21 (рис. 2) на испытательном стенде ООО «УДМЗ» были проведены испытания по снятию гидравлической характеристики двигателя и проверки на помпаж в соответствии с заводской программой и методикой. Точки замера основных параметров показаны на рис. 3 [3].
Результаты замеров параметров испытаний дизеля с четвертой по восьмую позиции приведены в табл. 1, а результаты расчета — в табл. 2.
Согласно техническим условиям ТУ 24-10 ПАЦР.5610882,040 ТУ на дизель-генератор ДГ882Л приведенный удельный эффективный расход топлива на режиме полной мощности составляет не более 219 г/кВт ч, на режиме 75 % — не более 222 г/кВт-ч, на режиме 50 % мощности — не более 235 г/кВт-ч. Полученный в табл. 2 приведенный удельный эффективный расход топлива удовлетворяет требуемому на всех режимах работы.
Гидравлическая характеристика двигателя представлена на рис. 4. На основных режимах работы двигателя (6-я, 7-я и 8-я позиции контроллера машиниста) точки работы двигателя на характеристике располагаются достаточно далеко от границы помпажа (более 10 °/о по расходу воздуха). При этом 7-я и 8-я точки расположены в зоне максимальных КПД компрессора [4]. На первых трех позициях наддув практически отсутствует.
Проверка запаса по помпажу была подтверждена экспериментально путем снижения частоты вращения двигателя без изменения ее нагрузки на данной позиции до появления признаков помпажа.
Величина запаса по помпажу приведена в табл. 3. Как видно из данной таблицы, она достаточна (более 10 %) на всех режимах, кроме 1-й позиции.
На рис. 5 представлены зависимости основных параметров, характеризующих совместную работу дизеля с турбокомпрессором от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Из графиков видно, что на первых трех позициях приведенный расход воздуха практически не изменяется, а начиная с 3-й позиции (при возрастании давления наддува) резко увеличивается. Удельный приведенный эффективный расход топлива достигает минимального значения с 5-й по 7-ю позиции контроллера машиниста.
Результаты замера и расчета параметров показали следующее:
> температура отработавших газов и частота вращения ротора турбокомпрессора не превышают предельных значений (соответственно, 650 °C и 36000 об/мин);
> значения приведенного удельного эффективного расхода топлива с турбокомпрессором ТК18В-57 удовлетворяют требованиям технических условий на дизель-генератор ДГ882Л;
> запас по помпажу достаточен на основных режимах работы двигателя.
Для дальнейшего увеличения эффективности работы дизель-ге-нератора ДГ882Л (снижения удельного эффективного расхода топлива) рекомендуется корректировка проточных частей турбокомпрессора ТК18В-57.
Опыт эксплуатации дизель-генераторов ДГ882Л с турбокомпрессором ТК18В-57 на тепловозах ТЭМ14 и ТЭМ9 в период 2009 — 2020 гг. показал достаточную надежность и эффективность их совместной работы.
Библиография
1. Специальное конструкторское бюро турбонагнетателей : официальный сайт. URL:
https://www.skbt.ru, (дата обращения 25.01.2019).
2. Симеон А.Э. Газотурбинный наддув дизелей. 2 изд., перераб.М.: Машиностроение, 1964. 248 с.
3. Райков И.Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания : учебник. М.: Высшая школа, 1975. 320 с.
4. Машков О.Г. Численное моделирование параметров рабочего цикла комбинированной энергетической установки применительно к режимам полных нагрузок, для целей предпроектных, проектных и доводочных работ : дис. ... канд. техн, наук : 05.04,02 / ЮУрГУ. Челябинск. 2017.136 с.
