Admin

Перспективный привод водяных насосов дизеля

Многочисленные исследования, направ­ленные на совершенствование рабоче­го процесса тепловозного дизеля, выявили, что на промежуточных режимах в систему охлаждения отводится приблизительно — 30... 40 % тепла, полученного от сгорания топлива. Известно также, что имеются оп­тимальные значения средней температуры охлаждающей жидкости.
В настоящее время активно прорабаты­ваются варианты систем автоматического регулирования температур теплоносителей при условии изменения производитель­ности насосов. Это может быть обеспечено заменой механического привода насоса от коленчатого вала дизеля на автономный _ электрический привод.
Рассмотрим возможность регулирова­ния производительности водяного насоса независимо от частоты вращения колен-— чатого вала дизеля с учетом результатов ЗD-моделирования в программной обо­лочке Flow Vision программы Solid Works.
Моделирование необходимо для определения теплонапряженности дизеля при при­менении серийной и модернизированной систем охлаждения.


При управлении скоростью потока жид­кости в каналах системы охлаждения появ­ляется возможность поддержания требуе­мого в каждый конкретный момент работы _ двигателя температурного перепада в паре дизель — охлаждающее устройство. Это является немаловажным фактом, так как от данного параметра зависят эффективность — работы системы охлаждения, а, соответ­ственно, и требуемые затраты мощности на вспомогательные нужды.
Система охлаждения дизеля тепловоза, — как правило, конструируется из расчета по­требности в отводе тепла при максимальной нагрузке дизеля, соответствующей наиболь­шей потребляемой мощности агрегатов и устройств этой системы. На отечественных тепловозах электропривод вспомогатель­ного оборудования на переменном токе был впервые применен в 1968 г. на тепловозе ТЭ109. Впоследствии им оборудовались те­пловозы 2ТЭ116,2ТЭ121,2ТЭ126.
Особенность привода переменного тока — в том, что асинхронный двигатель имеет жесткую характеристику в зоне устойчивой работы, что позволяет значительно упро­стить процесс управления производитель-— ностью водяного насоса. В таком случае для создания требуемой подачи водяного насо­са в каждом режиме работы достаточно за­даться требуемой частотой вращения рото­ра двигателя, не внося поправок по нагрузке на двигатель.
Алгоритм управления приводом водяного насоса таков. Численные значения параметров приведены для примера, в ре­альной системе эти значения могут быть скорректированы исходя из условий эксплу­атации. В начале цикла управления произво­дится опрос соответствующих датчиков. На основе полученных данных определяются состояние дизеля (запущен или заглушен), а также температуры теплоносителя на входе и выходе дизеля. На основании информации о состоянии дизеля (запущен или заглушен) принимаются 2 решения: о дальнейшем определении рабочих параметров системы в данный момент; о необходимости начать цикл заново.

В случае если дизель запущен, програм­ма переходит к следующему этапу вычис­лений, на котором определяется в каком диапазоне температур находится выходная температура дизеля.
Каждый диапазон температур представ­лен отдельным этапом, имеющим подпро­цесс, целью которого является определение температурного перепада в блоке дизеля на основе вычислений разницы выходной и входной температур теплоносителя. На основе этих вычислений устанавливается частота вращения ротора электродвигателя.
В случае, если температурный перепад со­ставит менее 10 °C, то частота вращения вала насоса обязательно должна быть уменьшена до значения предшествующего этапа, яв­лявшегося для него максимальным. Такое требование выдвигается в соответствии с зависимостью температурного перепада от расхода охлаждающей жидкости через кон­тур охлаждения (табл. 1).

При нахождении разности температур в зоне 10 °C < ДТ < 12 °C выбирается скорость соответствующая данному диапазону тем­пературы охлаждающей жидкости. В случае превышения предельного значения темпе­ратурного перепада частота вращения вала насоса должна быть увеличена до следую­щего стандартного значения. При переходе из одного диапазона температур в другой цикл подпроцессов повторяется, в итоге вы­числяется необходимая в данный момент частота вращения вала насоса.
При достижении предельно допустимой температуры (для высокотемпературной системы охлаждения примерно принима­ют 104 °C) насос включается на номиналь­ный режим работы (номинальная частота вращения вала насоса) и находится в этом режиме до достижения температуры тепло­носителя в системе охлаждения 102 °C.
В случае если дизель остановлен, посте­пенно снижается частота вращения вала во­дяного насоса до его полной остановки.

Диапазон рабочих скоростей вращения вала насоса можно разбить на несколько равных частей. В таком случае можно за­даться коррелирующим параметром, на­пример, количеством теплоты, выделяемым в контуре охлаждения на каждой позиции контроллера машиниста (ПКМ). Это количетво теплоты будет пропорционально мощ­ности дизеля для данной ПКМ, что позволя­ет повысить эффективность работы системы охлаждения по сравнению с существующей схемой привода водяного насоса.


В программном комплексе Solid Works была построена принципиальная модель системы охлаждения тепловоза 2ТЭ25КМ.
Она (см. рис. 1) представляет собой упро­щенный вариант реальной системы охлаж­дения.
Исходными данными для математиче­ского расчета теплового состояния системы охлаждения стали параметры работы ди­зеля на четвертой ПКМ при механическом приводе насосов. Данные представлены в табл. 2. При этом эквивалентный объем воды в рубашке дизеля не нагревается до своей рабочей температуры (90 °C). Температура в рубашке дизеля составляет около 76 °C, что на 14 градусов ниже требуемой.
Во втором контуре охлаждения наблю­дается подобная ситуация. Так, температу­ра охлаждающей жидкости на 3... 7 ПКМ также имеет среднюю температуру ниже рекомендуемой, например, на 4 ПКМ она достигает лишь 56 °C, хотя рабочая тем­пература должна составлять 65... 70 °C.

Исходя из этого можно сказать, что на 3... 7 ПКМ система охлаждения избыточно ох­лаждает дизель.
На рис. 2. показана зависимость подачи насосов первого (горячего) «а» и второго (холодного) «б» контуров в зависимости от частоты вращения их валов. Если сравнить существующие подачи теплоносителя на каждой из позиций с требуемыми подачами насосов, то станет видно, что на всех режи­мах, кроме номинального, реальная подача насоса превышает требуемые значения, ис­ходя из условий тепловой напряженности конструкции дизеля. Такой режим работы приводит к перерасходу энергии на привод насосов и к неэффективному использова­нию системы охлаждения.
Затраты мощности на привод насосов можно подсчитать, зная КПД насоса, требуе­мый напор и подачу.
Точный расчет мощности водяного насо­са учитывает достаточно много различных параметров, таких как диаметры входного и выходного патрубков, форму лопастей насосного колеса, температуру жидкости, число Рейнольдса для жидкости при данной тем­пературе, коэффициент трения, режим тече­ния жидкости и др.

Для примера проведем расчет мощно­сти насосов контуров при штатном приводе от дизеля и перспективном, управляемом индивидуальном приводе. Данные расчета мощности на каждой из позиций приведе­ны в табл. 3.
На основе выполненных расчетов тепло­выделения дизель-генераторной установки 18-9ДГ и проведенного сравнительного ана­лиза параметров работы насосов системы охлаждения при механическом их приводе можно сделать вывод о несоответствии по­дачи насосов необходимым значениям в ши­роком диапазоне работы двигателя.
На всех позициях контроллера маши­ниста идет перерасход энергии на привод насосов (к примеру, в горячем контуре ох­лаждения: от 0,23 кВт на нулевой позиции до 3,22 кВт на 6... 8 ПКМ).
Применение электропривода позволяет уменьшить этот диапазон и поддерживать в более жестких рамках температуру тепло­носителя, независимо от частоты вращения коленчатого вала двигателя. При этом стаби­лизируются рабочий процесс в цилиндрах и выходные характеристики дизель-генерато- ра, снижается расход топлива.

Библиография
1. Куликов Ю.А. Системы охлаждения силовых установок те­пловозов. — М.: Машиностроение, 1988. — 280 с. 2. Балабин В.Н. Перспективные схемы привода вспомога­тельного оборудования силовой установки локомотива. / Журнал «Локомотив», № 2,2015 г. — с. 38 — 40.

Д-р техн, наук В.Н. БАЛАБИН, профессор МИИТа Г.И. НЕКРАСОВ, аспирант МИИТа инж. В.Л. АЛЕКСАНДРОВ, МНИТ

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК