Основні схеми наддувусуднових двигунів та їх аналіз

На вибір схеми наддуву впливає тип двигуна, рівень його форсування, тип турбонагнітача, що використовується, традиції дизелебудівних фірм. При виборі тієї чи іншої схеми прагнуть задовольнити низку вимог:

Забезпечити достатню повітропостачання двигуна на всіх експлуатаційних режимах його роботи (при пуску, розгоні, на маневрах, при хвилюванні моря) та в аварійних ситуаціях;
Забезпечити ефективне використання енергії газів – отримати максимальну потужність турбіни та максимальний ккд компресора на основних експлуатаційних режимах роботи;
Робота компресора повинна бути стійкою щодо помпажу зриву потоку повітря, що викликає вібрацію робочого колеса, корпусу ГТН, шум та ряд інших негативних явищ;
Система наддуву не повинна бути надмірно складною за конструкцією та в експлуатації, повинна передбачати можливість коригування характеристик турбокомпресора та двигуна в процесі доведення на стенді та в експлуатаційних умовах.

На рис. №1 наведено шість основних схем наддуву, що застосовуються в суднових ДВС.

Схема одноступінчастого чисто газотурбінного наддуву з імпульсною турбіною та холодильником повітря (рис. №1 — А) набула великого поширення у 4-тактних дизелях та у 2-тактних двигунах з прямоточними системами продування (Бурмейстер і Вайн, Доксфорд, Сторк). Як правило, рядні 4-тактні дизелі оснащуються одним ГТН, V-подібними двома ГТН. У 2-тактних двигунах встановлюється кілька нагнітачів на агрегат (один нагнітач на 2-4 циліндри). Схема відрізняється ефективністю використання енергії газів, простотою, стійкістю роботи на всіх експлуатаційних режимах, достатнім повітропостачанням, проте порівняно трудомістка вналаштування, не дозволяє коригувати характеристики експлуатації. При виході з ладу газотурбонагнітачів повітряпостачання 4-тактного дизеля забезпечується всмоктуючим ходом поршня; у 2-тактному двигуні роботою справних нагнітачів, що залишилися, або автономною повітродувкою. У всіх випадках потужність двигуна знижується.

Різновидом схеми "А" є використання ГТН з наддувом при P = const. Таке рішення, маючи всі перераховані вище переваги, дозволяє зменшити кількість турбонагнітачів на 2-тактному двигуні. Схема більш ефективна при високих ступенях наддуву, проте при зниженні навантаження нижче 25-30% вимагає застосування в 2-тактних ДВЗ автономного нагнітач повітря. Найчастіше це — електричний компресор з автоматичним запуском.

Схема 2-ступінчастого чисто газотурбінного послідовного наддуву (рис. №1 - Б) складається з двох турбокомпресорів і передбачає охолодження повітря після кожного ступеня наддуву. Як правило, перша турбіна по ходу газів імпульсна, друга турбіна – постійного тиску. Схема задовольняє вимогам ефективності використання енергії газів, забезпечує великі витрати повітря в порівнянні з 1-ступінчастою схемою при підвищених рівнях форсування та інших рівних умовах, стійка щодо помпажу. Схема пройшла дослідну перевірку на двигунах Бурмейстер і Вайн типу К 98FF, Сторк типу SW, Зульцер RND 105, MAH 4V 38/40 та ін. роботи двигуна. Схема застосовувалася на двигунах Мітсубісі, що серійно випускалися, тип ІЕС-Е, двигунах 20ЧН26/26 Коломенського тепловозобудівного заводу.

Схема 2-ступінчастого послідовногокомбінованого наддуву (рис. №1 — В) включає в себе газотурбонагнітач постійного тиску як Бій щаблі наддуву і механічного нагнітача з приводом від колінчастого валу як другий ступінь наддуву. Як правило, механічні нагнітачі – поршневого типу, з автоматичними клапанами. Схема застосовувалася на двигунах фірм Гетаверкен, GMT (Фіат) та на вітчизняних двигунах заводу ім. Малишева. Як і всі інші системи комбінованого послідовного наддуву, схема дуже стійка щодо помпажу на всіх режимах експлуатації, надійна, проте по ефективності використання енергії випускних газів поступається системам чистого ГТН з імпульсними турбінами.

Мал. 1 Основні схеми наддуву суднових ДВЗ

А - одноступінчастий та Б - двоступінчастий чистий газотурбінний наддув;
В, Г, Д – послідовний комбінований та Е – паралельний комбінований наддув.

Схема 2-ступінчастого комбінованого послідовного наддуву з імпульсними газовими турбінами, підпоршневими порожнинами в якості II-го ступеня і індивідуальними ресиверами II-го ступеня на кожен циліндр зображена на рис. №1 - Г. Така схема застосована на двигунах Зульцер типу RD, що широко використовувалися на вітчизняному флоті. Конструкція укороченого поршня і бажання зменшити втрату заряду на IV фазі газообміну зажадали установки на випуску керуючих заслінок, що запобігають перетіканню повітря у випускний колектор при знаходженні поршня у верхній частині циліндра.

У момент відкриття випускних вікон поршень стискає повітря в II ступені до тиску Р = (1,30-1.35) РК, що запобігає закидання газів, інтенсифікує продування циліндра. Після НМТ повітря подається безпосередньо з ресивера I-го ступеня в ресивер II-го ступеня (без стиснення впідпоршневої порожнини). Тому параметри в точці "а" циклу визначаються тиском і температурою в продувному ресивері І-го ступеня.

За ефективністю та стійкістю щодо помпажу система приблизно рівноцінна схемі “В”, проте конструкція ІІ-го ступеня у неї простіше, оскільки немає необхідності у спеціальному насосі. Недоліками схеми є зниження ефективності ІІ-го ступеня при збільшенні навантаження двигуна (на режимі повного ходу в двигунах у підпоршневій порожнині стискається лише частина повітря - близько 50% за обсягом та 75% за вагою, а також наявність такого ненадійного вузла, як заслінка на випуску .

Зазначених недоліків позбавлена схема з турбіною постійного тиску, застосована фірмою Зульцер у двигунах серії RND та наступних модифікаціях малооборотних машин (рис. №1 - Д). У цій схемі застосовано подовжений поршень, що перекриває випускні вікна при знаходженні у ВМТ, що дозволило відмовитися від заслінок (щоправда, це дещо збільшило втрату заряду).

Ефективність використання II-го ступеня підвищена застосуванням байпасованого підведення повітря через автоматично керовані клапани з ресивера I-го ступеня безпосередньо в місцеві ресивери циліндрів II-го ступеня, минаючи підпоршневі порожнини. Повітря, що стискається в підпоршневій порожнині, запобігає закиданню газів, бере участь у продуванні і сприяє балансуванню потужності турбіни і компресора. Фірма МАН застосовувала аналогічну схему з імпульсною газовою турбіною (при послідовно-паралельному комбінованому наддуві двигунів KZ).

Система паралельного комбінованого наддуву (рис. №1 — Е) застосовувалася фірмою МАН із турбіною імпульсного типу. Схема має високі енергоекономічні показники. За досвідченими даними, вона забезпечує краще повітря, ніж послідовні схеми. ЇїНедолік - компресор неминуче потрапляє в помпажний режим при зниженні навантаження двигуна (про причини цього йтиметься при аналізі параметрів наддуву).

Переваги системи паралельного комбінованого наддуву в частині повітропостачання спричинили об'єднання схем паралельного та послідовного наддуву в одному агрегаті. Частина підпоршневих порожнин працює паралельно (трохи більше 1/2), частина — послідовно. Таке об'єднання дозволяє забезпечити стійку роботу компресорів на всіх режимах та покращити повітропостачання порівняно з послідовними схемами. Паралельно працюють підпоршневі порожнини подають до 15-20% повітря. Схема застосовувалась у всіх дизелях МАН серії KZ.

Оптимальним варіантом комбінованого наддуву слід визнати варіант, коли на повному ході всі поршневі порожнини працюють паралельно, на малих ходах послідовно. Така схема покращує повітропостачання і в той же час усуває помпаж. Вона пройшла дослідну перевірку у двигунах МАН, проте у серійних двигунах не налила застосування.

У 70-80-ті роки найперспективнішою визнавалася схема 2-ступінчастого послідовного суто газотурбінного наддуву. Розрахунки показували, що така схема стає ефективною при Ре = 18-19 кг/см 2 у 4-тактних ДВЗ та Ре = 13-14 кг/см 2 - у 2-тактних ДВС. Тим не менш, сьогоднішній рівень форсування суднових дизелів (Ре = 17-19 бар у 2-тактних та Ре = 24-26 бар у 4-тактних ДВС) повсюдно забезпечується в 1-ступінчастому газотурбінному наддуві. Таке рішення виявилося можливим завдяки успіхам промисловості у створенні нових високоекономічних агрегатів газотурбінного наддуву. Можливо, що подальше форсування двигунів поховано схеми з використанням 2 ступенів газотурбінного наддуву.