Вопрос о температурах выхлопных газов дизеля тепловоза

[ГоловаФонарь]

О мудрейшие из мудрейших, прошу, помогите разобраться в следующем вопросе: Почему температура выхлопных газов в выпускных коллекторах дизеля тепловозов ниже их температуры перед турбокомпрессором? Например, в РЭ маневрового ТЭМ2 указаны максимальные температуры при номинальной мощности 470 градусов и 600 соответственно. Такая же ситуация для других тепловозов. И это не только допуски на максимальные температуры. При реальной эксплуатации тепловозов с МСУ, на кадрах дисплейного модуля видно, что, газы, проходя по колектору (который к тому же ещё и охлаждается водой), как будто бы нагреваются перед турбиной.

[Adagumer]

Газы наверно сжимаются каким то образом, а стало быть температура повышается!

[Скиталец]

Газы наверно сжимаются каким то образом

Турбина представляет собой препятствие потоку газов.

[ГоловаФонарь]

Сообщение от Adagumer

Газы наверно сжимаются каким то образом, а стало быть температура повышается!

Сообщение от Скиталец

Турбина представляет собой препятствие потоку газов.

я тоже так предположил, но вот что меня тревожит... если поток выхлопных газов после выхода из цилиндра не получает энергии извне (я так понимаю, процесс горения топлива вне цилиндров не происходит), то энергия потока, заключённая в его кинетической и внутренней энергии далее может только расходоваться. При этом на рабочее колесо турбины поток желательно направлять с максимальной скоростью, потому что турбина преобразует в полезную работу именно кинетическую энергию потока. Для увеличения этой скорости служит сопловой аппарат турбины. Однако увеличение кинетической энергии потока возможно только за счёт потенциальной энергии выхлопного газа. Другими словами, если скорость газа увеличивается, то его энтальпия уменьшается, а это означает уменьшение давления и/или температуры... С другой стороны перед входом в турбину стоит диффузор (расширяющийся канал), который тормозит поток, увеличивая его температуру и давление... Наличие двух деталей (диффузора и соплового аппарата), выполняющих противоположные функции наводят на меня тоску непонимания

[zawodik]

я так понимаю, процесс горения топлива вне цилиндров не происходит

Я бы этого не утверждал. При неполном сгорании топлива вполне возможно догорание вне цилиндров, а температура горения соляры 1100 градусов. При горении в цилиндре температура падает за счет расширения с работой, а вне - нет.

[вэндер]

При выходе из клапанной или огневой коробки и следовании по коллектору газы неизбежно теряют в скорости (в следствии изгибов и неровностей в стыках)
Как известно уменьшение скорости преобразуется в повышение давления, отсюда и возрастание температуры. Незначительное всего на 50-100 градусов.

[ГоловаФонарь]

Сообщение от вэндер

При выходе из клапанной или огневой коробки и следовании по коллектору газы неизбежно теряют в скорости (в следствии изгибов и неровностей в стыках)
Как известно уменьшение скорости преобразуется в повышение давления, отсюда и возрастание температуры. Незначительное всего на 50-100 градусов.

Спасибо за ответ, но так не бывает, к сожалению, а может быть и к счастью. Если Вы говорите о потере скорости газа в потоке в результате трения (гидравлические потери, о которых Вы ведёте речь вызваны именно им), то эта часть энергии газа теряется необратимо (течение с трением - необратимый процесс). В итоге полная энергия газа от трения может только уменьшаться. Не стоит забывать ещё и о том, что при прохождении по тракту газ теряет тепло, рассеивая его через стенки коллектора в дизельное помещение (хотя его и теплоизолируют). Кроме того, в реальности газ наоборот ускоряется при своём путешествии по тракту, потому как именно за счёт падения давления (считай расширения) газ приобретает свою скорость. На входе клапана - скорость ноль, потом расширение - скорость увеличивается. Далее по тракту газ либо продолжает расширяться и преобразует свою потенциальную энергию в кинетическую, либо движется с постоянной скоростью, либо тормозится, с повышением давления и температуры (адиабатическое торможение). Но, зачем его тормозить, если задача соплового аппарата турбины как раз в обратном - максимально преобразовать потенциальную энергию газа в его скорость с последующим максимальным использованием его кинетической энергии в полезную работу в рабочем колесе?

[вэндер]

Это говорю не я, а законы физики.
Если бы имела место только одна вспышка (топлива), Ваша теория была бы верна.
Сохранение энергии. Вот принцип.
Для этого на турбинном колесе поперечное сечение по лопаткам уменьшается (преобразование в скорость).

вэндер добавил 29.05.2017 в 19:48
Сейчас "поднял" очень старую книгу. Законы термодинамики 1964г.
Коэффициент преобразования на турб. колесе должен быть не менее 0,86. Иначе будет воздушный удар (помпаж)

[goringera]

Сообщение от ГоловаФонарь

я тоже так предположил, но вот что меня тревожит... если поток выхлопных газов после выхода из цилиндра не получает энергии извне (я так понимаю, процесс горения топлива вне цилиндров не происходит), то энергия потока, заключённая в его кинетической и внутренней энергии далее может только расходоваться. При этом на рабочее колесо турбины поток желательно направлять с максимальной скоростью, потому что турбина преобразует в полезную работу именно кинетическую энергию потока. Для увеличения этой скорости служит сопловой аппарат турбины. Однако увеличение кинетической энергии потока возможно только за счёт потенциальной энергии выхлопного газа. Другими словами, если скорость газа увеличивается, то его энтальпия уменьшается, а это означает уменьшение давления и/или температуры... С другой стороны перед входом в турбину стоит диффузор (расширяющийся канал), который тормозит поток, увеличивая его температуру и давление... Наличие двух деталей (диффузора и соплового аппарата), выполняющих противоположные функции наводят на меня тоску непонимания

" ....Всем хороша воздуходувка с механическим приводом, но есть у нее существенный недостаток: такой привод отнимает у дизеля 2Д100 значительную часть его мощности — более 147 кВт, или 200 л. с. Нельзя ли создать нагнетатель, который бы не имел привода от коленчатого вала дизеля? Этот вопрос с давних пор занимал конструкторов. Газ после расширения в цилиндрах обладает еще значительным запасом энергии. Нередко энергия, которую несут с собой выпускные газы, достигает 30—35% всей энергии (всего тепла), полученной в двигателе в результате сгорания топлива. Нельзя ли использовать эту драгоценную энергию если не полностью, то хотя бы частично? Тогда значительно повысится экономичность двигателя. Если можно, то как? Очевидно, для этого надо заставить газы более полно расшириться. В газовой турбине в отличие от двигателя внутреннего сгорания газы имеют возможность осуществить дальнейшее расширение. Вот почему в современных дизелях газ, совершивший работу в цилиндрах, выбрасывается не в атмосферу, а направляется в газовую турбину (рис, 32, б).
В газовой турбине для расширения газов предусмотрена установка соплового аппарата и рабочих лопаток. Хотя на выпуске и создается некоторое дополнительное сопротивление, но зато оказывается возможным расширить газы и использовать их энергию. Иными словами, газы, отработавшие в цилиндре, и турбина выполняют здесь такую же роль, как и коленчатый вал дизеля для привода описанной выше роторной воздуходувки. Но так как для привода газовой турбины используется энергия отработавших газов, то применение так называемого газотурбинного привода вместо механического оказывается значительно выгоднее. Итак, при работе дизеля отработавшие газы после выхода из цилиндров поступают в сопловой аппарат турбины. Здесь газы с избыточным давлением на выпуске расширяются, приобретают значительную скорость и направляются на рабочие лопатки, укрепленные на колесе турбины. На рабочих лопатках, которым придана особая форма, происходит поворот и дальнейшее расширение газового потока. При этом снижается его температура. В результате возникает вращающий момент на валу газовой турбины: часть тепловой энергии газа преобразуется в механическую энергию. Отработавшие в турбине газы выпускаются в атмосферу.
На одной оси с турбиной укреплено колесо центробежного компрессора. Турбина вращает рабочее колесо этого компрессора, который засасывает воздух из атмосферы и сжимает его. Из компрессора сжатый воздух направляется в цилиндры дизеля. Чтобы турбина и компрессор занимали меньше места, меньше весили и изготовление их было дешевле, их компонуют в один общий одновальный агрегат, называемый обычно турбокомпрессором. На современных тепловозных дизелях воздух, сжатый в турбокомпрессоре, поступает в цилиндры не сразу, а сначала охлаждается в специальном теплообменнике.
Как же устроен и работает современный турбокомпрессор? Представление об этом мы уже получили.
Рассмотрим устройство турбокомпрессора ТК-34С (среднего давления) на примере дизеля 10Д100 (рис. 33). Отработавшие в дизеле газы по кольцевому впускному патрубку (см. нижнюю часть рисунка) подводятся к сопловому аппарату, в котором повышенное по сравнению со свободным выпуском давление газа преобразуется в скорость, т. е. потенциальная энергия давления преобразуется в кинетическую энергию движения газов. Неподвижные лопатки этого аппарата расположены по окружности перед рабочими лопатками турбинного колеса. Из соплового аппарата газы, имея необходимое направление, с большой скоростью поступают на рабочие лопатки колеса турбины: кинетическая энергия движения газов преобразуется в энергию вращения колеса турбины. Одновременно часть тепловой энергии выпускных газов за счет их расширения в турбинном колесе дополнительно используется для вращения ротора турбины. Газы, отработавшие в турбине, отводятся в атмосферу по выпускному патрубку. А так как на другом конце ротора турбины закреплено колесо компрессора, то, вращая турбинное колесо (с частотой до 18000 об/мин), газы заодно с ним заставляют вращаться с той же частотой и рабочее колесо компрессора. При этом на дизеле 10Д100 это колесо всасывает (через фильтр компрессора) атмосферный воздух и нагнетает его через лопаточный диффузор (расширяющийся канал) в охладитель воздуха, а оттуда во всасывающую полость приводного центробежного компрессора. ......"

НАДДУВ. ТУРБОКОМПРЕССОРЫ. КПД ДИЗЕЛЯ

[NashikovskyRGD]

Сообщение от вэндер

вэндер добавил 29.05.2017 в 19:48
Сейчас "поднял" очень старую книгу. Законы термодинамики 1964г.
Коэффициент преобразования на турб. колесе должен быть не менее 0,86. Иначе будет воздушный удар (помпаж)

1. У турбин помпажа не может быть.
2. Помпаж у компрессора может возникнуть, если массовый расход газов через ДВС и турбину сильно отличается в сторону снижения от расчётного расхода газа через компрессор. Но при этом говорят о коэффициенте расхода, а не коэффициенте преобразования.
Судя по величине 0,86, именно этот коэффициент имеется ввиду.
3. Если под коэффициентом преобразования имеется ввиду эффективность преобразования турбиной энергии газов в полезную энергию, тогда от этого коэффициента зависит то, сможет ли вообще турбина крутить компрессор.

Сообщение от ГоловаФонарь

О мудрейшие из мудрейших, прошу, помогите разобраться в следующем вопросе: Почему температура выхлопных газов в выпускных коллекторах дизеля тепловозов ниже их температуры перед турбокомпрессором? Например, в РЭ маневрового ТЭМ2 указаны максимальные температуры при номинальной мощности 470 градусов и 600 соответственно. Такая же ситуация для других тепловозов. И это не только допуски на максимальные температуры. При реальной эксплуатации тепловозов с МСУ, на кадрах дисплейного модуля видно, что, газы, проходя по колектору (который к тому же ещё и охлаждается водой), как будто бы нагреваются перед турбиной.

Выпуск газов разбивается на 3 фазы:
1. При открытии выпускного клапана газы с околозвуковой или, даже, сверхзвуковой скоростью выбрасываются в коллектор. При этом давление в цилиндре падает, но температура газов не снижается, так как они подогреваются стенками цилиндров и прочими горячими частями.
2. При движении газов по коллектору их полное давление продолжает падать, но охлаждения опять не происходит, так как внутренняя энергия газов затрачивается на преодоление сил трения и работа этих сил преобразуется в тепло (дроссель-эффект).
3. В коллекторе перед турбиной динамическое давление газов, движущихся с высокой скоростью преобразуется в статическое давление заторможенного потока. При этом происходит нагрев газов перед турбиной.
В общей сложности мы получаем "тепловой насос", в котором тепло забирается у цилиндров и выделяется на турбине. Функция поршня в этом случае лежит самом газе, движущемся импульсами с высокой скоростью.

P.S. В двигателях с полным расширением газов в цилиндрах (если таковые существуют) давление после выпускного клапана будет постоянным, а температура газа практически постоянной вдоль всего тракта от клапана до турбины.