Паровой бесклапанный двигатель: О возможности конверсии дизельного двигателя 4ДКРН 26/98С Брянского машиностроительного завода в паровую машину для обеспечения независимой работы паровых котельных от электросети

О возможности конверсии дизельного двигателя 4ДКРН 26/98С Брянского машиностроительного завода в паровую машину для обеспечения независимой работы паровых котельных от электросети

Международная научно- практическая конференция « Малая энергетика-2006»

Блаженков В.В.1, Дубинин B.C.2, Квачёв В.И.3, Лаврухин К.М.4, Титов Д.П.5 (‘ЗАО «ЭкОйл-Энергия», Россия;МАИ(ГТУ) НГ «Промгпеплоэнергегпика», Москва, Россия;3«Корпорация «Тактическоеракетное вооружение», Королёв, Московская область, Россия;4МАИ(ГТУ), Москва, Россия; 5МЭИ (ТУ), Москва, Россия)

ЗАО «Трансмашхолдинг» является многопрофильной корпорацией тяжёлого машиностроения в неё входит ряд заводов, в том числе ведущие двигателестроительные заводы: Брянский машиностроительный завод (БМЗ), Коломенский машиностроительный завод, Пензадизельмаш. Выпускаемые ими дизели используются в железнодорожном, морском транспорте и малой энергетике. Так например, БМЗ выпускает двухтактные малооборотные дизели (МОД) и дизельные электростанции на их базе с КПД электрическим 50%, работающие на тяжёлых сортах топлива вязкостью до 700 сСт при 50°С и содержанием серы до 5% в диапазоне мощностей от 4,5 до 22МВт в одном агрегате. БМЗ выпускает четырёхтактные среднеоборотные дизели в диапазоне мощностей от 550 кВт до 3960 кВт [1]. Для использования твёрдого топлива, в том числе высокозольного угля и отходов древесины, как альтернативного местного топлива малой энергетики целесообразно серийные дизели конверсировать в паровые машины, чем занимается научная группа МАИ «Промтеплоэнергетика» в двух направлениях:

1. Создание паросиловых когенерационных установок с КПД электрическим 20-30% при давлении перегретого пара 39 кг/см2 манометрических и температуре 440°С и коэффициенте использования теплоты сгорания топлива приближающееся к КПД котла [2]. Такие установки предполагают реализацию классического цикла паровой машины, которая при одинаковых параметрах пара имеет больший КПД, чем паровая турбина и даёт возможность поддерживать частоту 50±0,2 Гц при автономной работе от сети даже при ступенчатом изменении нагрузки [3].

2. Создание парового привода электрогенераторов паровых котельных для обеспечения их автономной работы от сети в условиях потери надёжности электропитания от неё и роста тарифов на электроэнергию. Такой привод, как показано в другом докладе нашей конференции, должен обладать низким электрическим КПД, соответствующим отношению электрической мощности потребляемой котельной к вырабатываемой ей тепловой мощности (0,01-0,04).

Это делает возможным создание такого привода с использованием изобретения 80-х годов прошлого века сотрудников и студентов МАИ [4] (бесклапанная паровая машина).

Данный доклад посвящен второму направлению.

Наиболее быстро сейчас можно внедрить в котельные паровые машины создаваемые на базе двухтактных двигателей БМЗ, точнее на базе использования только их кривошипношатунного механизма. Существующая на этих двигателях головка цилиндров с выпускными клапанами (клапанно-щелевая продувка) не изготовляется, а заменяется простейшей головкой типа крышки без подвижных деталей с сужающимся соплом подвода пара.

Впускные отверстия гильзы цилиндра двигателя используются как выпускные паровой машины, а привод клапанов, агрегат турбонаддува и топливная система уже не нужны.

Двухтактные двигатели БМЗ являются крейцкопфными. Это обеспечивает за счёт уплотнения штока поршня невозможность попадания пара и конденсата в картер и картерного масла в пар, о чём говорилось в другом докладе. С учётом разработанной в 80-е годы прошлого века программы расчёта на ЭВМ бесклапанной паровой машины [5] и полученными в 90-е годы экспериментальными результатами, подтверждающими её достоверность, имеется уникальная возможность создать паровую машину на базе двухтактного двигателя БМЗ без проведения длительных доводочных работ. Для этой цели выбран самый малоразмерный из таких двухтактных двигателей 4ДКРН26/98 С. Это 4-х цилиндровый дизель с диаметром поршня 260 мм и ходом поршня 980 мм. Его мощность 1280-1600 кВт при 250 об/мин.

Проведённые по упомянутой программе расчёты при такой частоте вращения показали, что индикаторная мощность одного цилиндра парового двигателя и удельный расход пара могут меняться в очень широких пределах в зависимости от диаметра критического сечения сопла и выбранного объёма над поршнем в верхней мёртвой точке. При сохранении оставшейся от дизеля геометрии выпускных (бывших впускных) окон была посчитана индикаторная мощность Ni одного цилиндра при 250 об/мин, механический КПД двухтактных МОД 0,88-0,91 [6]. Если принять механический КПД 0,9 то мощность на валу 4-х цилиндрового парового двигателя составит:

Ne=0,9 x Ni x 4=396 кВт

Наиболее распространены в России и странах СНГ паровые котлы ДКВ, ДКВР, КЕ, ДЕ производства Бийского котельного завода с номинальным манометрическим давлением пара 13 кг/см2 без пароперегревателей. Результаты расчётов Ni одного цилиндра на насыщенном паре с манометрическим давлением 12 кг/см2 и атмосферным давлении на выхлопе приведены в таб. №1. Указанные результаты расчётов но уже на перегретом до 250 °С, получаемым от упомянутых котлов имеющих пароперегреватель и с давлением на выхлопе 0,7 кг/см2 манометрических приведены в табл. № 2 показатель политропы принят 1,3.

Бийским котельным заводом выпускается котёл ДКВР-10-39-440 паропроизводительностью 10 тонн/час, давлением пара 39 кг/см2 манометрических и температурой перегретого пара 440°С. Для таких параметров пара и манометрическим давлении на выхлопе 0,7 кг/см2 результаты расчётов Ni одного цилиндра приведены в табл. №3 показатель политропы принят 1,294.

Испытания рассматриваемого парового двигателя возможно будут проведены во входящем в ЗАО «Трансмашхолдинг» ЗАО «Метровагонмаш», где имеются котлы разрешенным манометрическим давлением пара 22 кг/см2 перегретого до 280°С. Для манометрического давления пара 20 кг/см2, манометрического давления на выхлопе 0,7 кг/см2 и температере перегретого пара 280°С результаты расчётов Ni одного цилиндра приведены в табл. №4 показатель политропы принят 1,3.

Там же будут продолжены испытания паропоршневого двигателя описанного в [7]. Без создания паропровода подлежащего регистрации в органах Ростехнадзора это возможно только при подсоединении к паропроводу с манометрическим давлением перегретого до 280 °С пара 10-12 кг/см2. Поэтому для манометрического давления перегретого пара 11 кг/см2 с температурой 280 °С и манометрическим давлением на выхлопе 0,7 кг/см2 результаты расчётов Ni одного цилиндра приведены в табл. №5 показатель политропы принят 1,3.

Рассматривая эти таблицы можно сделать следующие выводы:

1. При заданной степени расширения и увеличении критического сечения Ni проходит через максимум, а удельный расход пара монотонно растёт.

2. При уменьшении степени расширения как Ni так и удельный расход пара растут, при этом максимум мощности смещается в сторону больших критических сечений.

3. Увеличение давления увеличивает Ni и снижает удельный расход пара.

Например, близкая к максимальной для степени расширения 2 мощность на валу рассматриваемого 4-х цилиндрового двигателя при работе на перегретом до 280°С паре манометрическим давлением 11 кг/см и манометрическим давлением на выхлопе 0,7 кг/см составляет исходя из данных табл. №5 241,6 кВт при критическом диаметре 40 мм, расход пара 29,07 тонн/час.

При работе этого же двигателя на перегретом до 440°С пара манометрическим давлением 39 кг/см2 и таком же давлении на выхлопе при степени расширения 2 максимальная мощность на валу достигается при критическом диаметре так же 40 мм и составляет 1193 кВт. Расход пара, и сходя из табл. №3, 99,5 тонн/час.

Удельный расход пара на индикаторную мощность в первом случае 0,03009 г/с х Вт, а во втором 0,02084 г/с х Вт. Таким образом, для бесклапанной паровой машины очень значительное увеличение параметров пара приводит к значительному росту мощности, но слабо снижает удельный расход пара.

Рассмотрим теперь вариант работы данного парового двигателя при манометрическом давлении перегретого до 250 °С пара 12 кг/см2 (табл. №2). Максимальная мощность при степени расширения 2 опять достигается при диаметре критического сечения 40 мм и составляет 306,4 кВт, а расход пара 36,69 тонн/час удельный расход пора на индикаторную мощность 0,02994 г/схВт. Удельный расход пара на эффективную мощность 119,7 кг/кВтхчас. Для сравнения удельный расход парового турбогенератора Кубань-0,5 Калужского турбинного завода (500 кВт, 16 тонн/час) — 32 кг/кВтхчас.

Преимуществом рассматриваемого поршневого парового двигателя является возможность работы на влажном паре без ограничения ресурса. Ресурс двухтактных дизелей БМЗ при работе на высокосернистом мазуте 80-120 тысяч часов [1]. Рассматриваемый двигатель может работать практически при любом давлении и температуре пара, так как в дизеле и температура сгорания и давление сгорания значительно выше, чем обычно применяемые давления и температуры пара. При этом

изменение давления и температуры перегрева может не требовать изменения конструкции. Рассмотрим в этой связи работу такого двигателя на насыщенном паре манометрическим давлением 12 кг/см2 и атмосферным давлением на выхлопе, используя таблицу №1. Его мощность на валу 394 кВт при диаметре критического сечения 45 мм, степени расширения 2 и расходе пара 48 тонн/час, а при диаметре критического сечения 40 мм его мощность на валу 344,3 кВт и расход пара 40,2 тонн/час. Таким образом бесклапанная паровая машина увеличивает мощность при уменьшении давления на выхлопе, то есть в отличии от классической паровой машины то же чувствительна к давлению на выхлопе как паровая турбина.

Результаты приведённые в табл. №1-5 показывают необходимость дальнейшего расчётного исследования бесклапанной паровой машины создаваемой на базе двигателя 4ДКРН26/98 С в диапазоне степеней расширения меньших чем два.

Параметры парового двигателя созданного на базе дизеля 4ДКРН26/98 С могут быть в разы улучшены при сохранении выпускных клапанов и их привода, что позволяет иметь несимметричные фазы выпуска. Результаты испытания двигателя с такими фазами описаны в [7] и приведены в другом докладе нашей конференции. Вероятно, могут быть улучшены параметры и в рамках концепции бесклапанного парового двигателя, если оптимизировать высоту выпускных (на дизеле впускных) окон гильзы цилиндра.

Список литературы:

1. Проспекты заводов.

2. Дубинин B.C., Лаврухин К.М. О возможности создания паросиловой установки на альтернативных видах топлива на базе паропоршневых двигателей и малообьёмных паровых котлов среднего давления не подлежащих учёту в органах котлонадзора (локомобиль 21 века). — Тезисы докладов международной научно-практической конференции «Малая энергетика — 2003» 11-14 ноября 2003 г., г. Обнинск.

3. Дубинин B.C. Сопоставление систем централизованного и децентрализованного энергоснабжения в современных условиях России (часть 2). – Промышленная энергетика, 2005, №10.

4. Ульянов И.Е., Дубинин B.C., Квачёв В.Н., Головченко Ю.А. Способ работы поршневого двигателя и поршневой двигатель. Авт. Свид. №1753001 А1, приор 19.07.89, опубл. 07.08.89, Бюл. №29.

5. Квачёв Н.В. Исследование характеристик поршневой расширительной машины. – в кн. Конструкция двигателей летательных аппаратов их прочность и надёжность. Тематический сборник научных трудов. Москва. Издательство МАИ 1991.

6. Дизели справочник. Л. Машиностроение 1977.

7. Титов Д.П., Дубинин B.C., Лаврухин К.М. Паровым машинам быть! — Промышленная энергетика, 2006, №1.

скачать бесплатно О возможности конверсии дизельного двигателя 4ДКРН 26/98С Брянского машиностроительного завода в паровую машину для обеспечения независимой работы паровых котельных от электросети в архив. zip (576 кБт)

Воздушно-реактивные двигатели | Авиация — коммерческая, гражданская, спецавиация…

Двигатели, использующие реакцию втекающего и истекающего окружающего газа, называются реактивными. Этот же окружающий газ может применяться и как основное ТРТ при Организации термо­динамических процессов в таком двигателе, как источник энергии (окислитель). Реактивный двигатель, использующий атмосферу Земли, называется воздушно-реактивным двигателем (ВРД).

Надутый воздухом детский воздушный шарик представляет со­бой простейшую модель ВРД и даже ЛА с ВРД, поскольку летает под действием силы реакции Ra истекающего воздуха или силы тя­ги

Ra = maWa, Н-

где т а — секундный расход массы воздуха через реактивное со­пло, кг/с, a w а — скорость его истечения, м/с.

Другой пример, который воспроизвести будет не так просто: ос­настим тот же воздушный шарик своеобразным энергетическим ис­точником — сжатой пружиной, которая смогла бы очень быстро растянуть его, увеличив объем и была бы достаточно легкой. Шарик снова полетит, но теперь уже не за счет реакции истекающего воз­духа, а за счет реакции воздуха, втекающего в шарик:

RB=mBW*’ Н-

где т — секундный расход, кг/с, aw, — скорость втекающей мас­сы, м/с.

Работающий на стенде, то есть неподвижный ВРД, использует для создания тяги и ту и другую реакции; главное суметь эффек­тивно организовать термодинамический процесс работы такого ВРД. При полете ВРД со скоростью w н в составе ЛА реакция захва­тывающего (а не всасываемого) воздуха будет отрицательной, то есть превратиться в сопротивление движению.

= Н>

поскольку воздух, попавший в двигатель, был неподвижен, а нале­тевший на него ВРД этот воздух ускорил до собственной скорости w и. Правильнее было бы учитывать и скорость всасывания

Н-

но этого на практике не делается из-за ее малости

Существо процесса функционирования ВРД заключается в пол­учении возможно более высокой скорости истечения w а, поскольку именно она определяет результирующую реактивную тягу:

R = Ra-Rx = maWa~m^H.

Расход истекающей массы т а больше m н на величину расхода

горючего, поданного в двигатель, но это превышение невелико, что и дает нам праао полагать

Сказанное позволяет понять, почему в случае применения ВРД не говорят о движителях, ибо движителем является сам ВРД. Более того, поршневой двигатель с гребным воздушным винтом — это то­же своеобразный ВРД, его частный случай, как, впрочем, и паровой двигатель с тем же воздушным винтом. Морские паруса, приводя­щие в движение суда и некоторые типы аэростатов — это тоже ВРД, как и парашюты и крыло самолета. Но парашют создает тормозную силу, а крыло — подъемную, уравновешивающую вес самолета. Ес­тественно, что обе эти силы — реактивные, то есть действующие на парашют и крыло реакции заторможенного, разогнанного или от­клоненного в нужную сторону воздуха. А может ли крыло со­здавать и подъемную и толкаю­щую силу? Конечної Лучше все­го это удается при сверхзвуковом полете (рис. 25), но возможно и на дозвуке, когда с помощью вы­бора геометрии или небольшого щитка, т е. интерцептора, со­здается срывная область 4, в которую либо вдувают газ, либо подают горючее 3 и организуют

(это также задача теплофизиков) его сгорание. Скачки уплотнения (2), возникающие на передней кромке крыла (1) на сверхзвуке суще­ственно улучшают эффективность процесса На задней кромке воз­никает избыточное давление и создается тем самым реактивная тол­кающая крыло вперед сила тяги.

Классификации ВРД сложны и многообразны, однако наиболь­шей популярностью пользуются разделение двигателей по принци­пу их действия: прямоточный, пульсирующий, турбореактивный, турбопоршневой, эжекторно-поршневой и т. д. Другие классифика­ции используют высотно-скоростные диапазоны оптимальной

применимости ВРД, третьи — их экономические характеристики и т. д.

Основоположником термодинамической теории ВРД является наш соотечественник, академик Б. С. Стечкин (1891-1969), опубли­ковавший в 1929 г. в журнале «Техника воздушного флота» свою классическую работу «Теория воздушно-реактивного двигателя».

Рассмотрим особенности работы наиболее распространенных ти­пов ВРД.

Прямоточный ВРД, или ПВРД — это собирательное название целого ряда двигателей, не имеющих механически-движущихся ча­стей и работающих по изобарному термодинамическому циклу полного расширения (рис.26). К их числу относятся: дозвуковые ПВРД (скорость полета 0,6…0,9 М, где М — отношение скорости по­лета к скорости звука), сверхзвуковые ПВРД или СПВРД (0,9…5 М), гиперзвуковые ПВРД или ГПВРД с дозвуковым горением (5…7 М) и со сверхзвуковым горением (скорость потока больше местной ско­рости звука) в камере сгорания или на внешней поверхности ЛА (7… 12 М), с детонационным горением или горением на детонацион­ной волне (12…20 М), супергиперзвуковые ПВРД или СГПВРД, предназначенные для полетов в верхних слоях атмосферы (скорость полета 28 М или до 8000 м/с), в межпланетном пространстве (скоро­сть до 105 м/с) и в межзвездном пространстве (скорость до 3 108 м/с).

Естественно, что обычные химические источники энергии для СГПВРД не годятся, а требуется применение ядерной, термоядер­ной или аннигиляционной энергии, а также особых массозаборных устройств, способных «всасывать» в двигатель оче’нь разряженную «межзвездную пыль» с огромных пространств. Классификация реак­тивных двигателей и области их применения приведены на рис.27.

Принцип работы СПВРД ясен из рис.26. Набегающий поток воз­духа предварительно тормозится в системе косых скачков уплот­нения, формируемых иглой массозаборника 1. При этом скорость воздуха снижается, а давление возрастает. Затем воздух далее тор­мозится в дозвуковой части массозаборника и проходит через вы­равнивающую поток решетку или хонейкомб и попадает на стабили­заторы горения 4, расположенные уже в камере сгорания 2. Топливо распиливается с помощью форсунок 3 н поджигается электриче­ской свечой. Поддержание пламени происходит за счет возвратной циркуляции горячих газов за плохо обтекаемыми стабилизаторами.

Горячие газы снова и снова поджигают топливно-воздушную смесь. Камера сгорания — это одно из сложнейших устройств. Тепловое и гидравлическое сопротивления в ней должны быть минимальны, а полнота сгорания — максимальная при весьма ограниченных про­дольных размерах, иначе возрастает масса двигателя. Но самое трудное — обеспечить заданный ресурс работы особенно для мно­горазовых двигателей. После камеры сгорания горячий газ поступа­ет в сверхзвуковое сопло Лаваля 5, обеспечивая скорость истече­ния, превышающую скорость захвата воздуха и создавая тем самым реактивную тягу.

Пульсирующий ВРД нли ПуВРД (рис.28, а) работает по циклу Ленуара (рис.28, б). В отличие от ПВРД, который не может разви­вать тягу при нулевой скорости полета и требует разгона посторон­ними источниками тяги, Пу ВРД устойчиво работает в стендовых условиях. Сжатый в массозаборнике 2 воздух 1 проходит через кла­панную решетку 3 и вместе с горючим поступает в камеру сгорания 6, где быстро (по изохоре) сгорает после воспламенения от свечи 5, повышая при этом давление в камере сгорания, запирающее решет­ку 3. Истекая через сопло 7 и удлиненный резонансный канал 8, горячий воздух в силу инерции истечения понижает давление в ка-

, MtllCitf

роиндизи ппшощу

 

Рис. 29

 

мере сгорания, благодаря чему вновь открываются впускные клапа­на, н цикл повторяется.

Как известно, Германия во второй Мировой войне, начиная с июня 1944 г. применяла самолет-снаряд (название не соответствует современной терминологии) Фау-1’против Великобритании. Тяга ПуВРД фирмы «Аргус» составляла 3285 Н. Дальность полета ЛА до­ходила до 370 км, а его скорость — до 550 км/ч.

Известны случаи применения ПуВРД и ПВРД в качестве конце­вых двигателей на лопастях вертолетов, и на самолетах-мишенях, в малой авиации (авиамодельный спорт). Разновидностью ПуВРД яв­ляются бесклапанные резонансные или волновые двигатели, у ко­торых массозаборник выполнен в виде загнутой назад второй резо­нансной трубы.

Турбореактивный ВРД или ТРД отличается от ПВРД наличием турбокомпрессора, то есть насаженных на один вал турбины и ком­прессора (рис.29). При этом термодинамический цикл работы оста­ется таким же, как у ПВРД, но основное сжатие захватываемого дви­гателем воздуха происходит не в диффузоре 1, а в компрессоре 2, а расширение газа после камеры сгорания 3 — не только в сопловом устройстве 5, но и в турбине 4. Мощность турбины рассчитывается таким образом, чтобы ее хватило на привод компрессора. А если ТРД служит для привода воздушного винта самолета или несущего винта вертолета, то мощность турбины увеличивается в расчете на привод этих винтов. Такой двигатель называется турбовинтовым или ТВД. Он в целом напоминает винтомоторную установку с поршневым двигателем, однако отличается от нее более высокими характеристиками. В целом именно ТРД «сделали дюгоду» в авиа­ции: позволили ей перейти звуковой барьер (рис. 30). Классифика­ция современных ТРД включает, кроме двигателей приведенной классической схемы, целую серию дозвуковых ТВД (турбовинто­вой и турбовентиляторный двигатель с воздушным винтом, рас­положенным в кольце или в контуре двигателя, это необходимо для уменьшения уровня шума самолета, а также турбовалъный двига­тель, применяемый для привода несущих винтов вертолета). Дозву­ковая авиация снабжена также большим количеством двухконтур­ных ТРД или ТРДД, имеющих различные конструктивные особенно­сти. Чем меньше расчетная скорость полета, тем более выгодна большая степень двухконтурности. В отличие от ТВД с вентиля­тором воздушный или внешний контур такого двигателя может иметь свою камеру сгорания, регулируемое сопло, выполненное со­вместно с соплом центрального контура по оптимальной эжектор­ной схеме, и другие элементы. Внешний контур может представлять собой многорежимный ПВРД либо ПВРД с вентилятором и т. д. Ис­пользование расположенной за турбиной классического ТРД фор­сажной камеры, напоминающей камеру сгорания ПВРД, дает назва­ние новому классу двигателей — ТРД с форсажем или ТРДФ (рис.31), широко применяемых на современных сверхзвуковых само­летах. ТРДФ (как и другие ТРД) может иметь и двухзальную схему, то есть иметь два соосных турбокомпрессора, вращающихся в раз­ные стороны для уменьшения кориолисовых нагрузок при маневрах самолета и позволяющих получить более оптимальные термодина­мические параметры. Такие двигатели называются ТРДФД. Важным элементом любого ТРД является сопло — особенно регулируемое, то есть изменяющее свою геометрию. Такое сопло может изменять площади критического и выходного сечений, направлять часть по­тока вперед по ходу движения самолета, создавая тормозящее уси­лие (используется после посадки наряду с реверсом винтов), откло­нять весь поток газа вниз при взлете с целью создания подъемной силы для ЛА ВВП. Созданы и специальные подъемно-маршевые ТРД или ПМТРД для таких ЛА. Конкурирующим направлением яв­ляется создание подъемных ТРД или ПТРД, устанавливаемых на ЛА вертикально, имеющих небольшие габариты, а главное -1— низкие значения удельного веса (отношение веса двигателя к его тяге). На рис. 32 показаны диапазоны применения ВРД (1-ПТРД. 2-ТВД, 3- ТРДД, 4-ТРД, 5-ТРДФД, 6-СПВРД, РТД РПД, 7-ГПВРД, ЖРД, а на рис.33 — внешние виды наиболее характерных ТРД: а — ТРДД Д-

36; б — силовая установка вертолета Ми-8 с ТВД ТВ2-117А; в __

подъемно-маршевый ТРД Р27В-300; г — ТРД АМТКРД-01; д — тур­бовинтовой двигатель АИ-20).

Основной теплофизической проблемой улучшения характери­стик ТРД является повышение температуры газа Тр перед турби-

шах

ной, так как и удельный вес ур двигателя (а) как маршевого 1, так и

подъемного 2, и удельный расход топлива С (б) зависят именно

уд о

от этой температуры (в): 3 — неохлаждаемые; 4 — охлаждаемые; 5 — экспериментальные турбины (рис. 34).

Рис. 33

 

Паровая машина «Бесклапанная» | Главная Модель Форум машинистов двигателей

мклоц
Известный член