Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Становова Юлия Юрьевна
Повышение эффективности работы системы воздухоснабжения тепловозных дизелей
на неустановившихся режимах
Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог,
тяга поездов и электрификация
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Самара 2012
Работа выполнена на кафедре Локомотивы ФГБОУ ВПО Самарского государственного университета путей сообщения (СамГУПС)
Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор
Носырев Дмитрий Яковлевич
Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор
Космодамианский Андрей Сергеевич
- кандидат технических наук, доцент
Анисимов Александр Сергеевич
Ведущая организация - ФГБОУ ВПО Дальневосточный государственный университет путей сообщения
Защита диссертации состоится л______ 201__ г. в ______ часов на заседании диссертационного совета Д 218.011.01 Самарского государственного университета путей сообщения по адресу: 443066, г. Самара, 1-й Безымянный пер., 18, СамГУПС, в аудитории 5216, корпус 5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного университета путей сообщения.
Автореферат разослан л__ 201__г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу диссертационного совета университета.
Ученый секретарь диссертационного
совета Д 218.011.01,
кандидат технических наук, доцент В.С. Целиковская
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Мощность, экономичность, уровень экологического воздействия на окружающую среду и эксплуатационная надёжность тепловозных дизелей существенно зависят от качественной работы агрегатов наддува. Эффективность работы и экологическая безопасность дизельных двигателей транспортных средств существенно снижается на переходных и неустановившихся режимах.
Особенностью переходных процессов является значительное отличие индикаторных и эффективных показателей двигателя от их значений при соответствующих им установившихся режимах. При одинаковых цикловых подачах топлива на установившемся и неустановившемся режимах, связанных с ростом нагрузки, на неустановившемся достигается меньшая мощность. Снижение мощности на неустановившихся режимах приводит к росту удельного расхода топлива. Низкая экономичность и повышенная дымность выпускных газов на неустановившихся режимах связаны с рассогласованием подачи топлива и поступлением воздуха в цилиндры тепловозного дизеля, что приводит к ухудшению индикаторного и эффективного КПД
Диссертационная работа посвящена повышению эффективности работы системы воздухоснабжения тепловозных дизелей на переходных процессах.
Настоящая диссертационная работа выполнена в соответствии со Стратегическими направлениями научно-технического развития ОАО Российские железные дороги на период до 2015 г. (Белая книга ОАО РЖД), Энергетической стратегией холдинга Российские железные дороги на период до 2015 года и на перспективы до 2030 года, и в соответствии со Стратегией развития железнодорожного транспорта РФ до 2030 года от 17 июня 2008 г.
Цель диссертационной работы: совершенствование методов сокращения времени переходных процессов в системе воздухоснабжения тепловозного дизеля, за счет снижения времени приемистости турбокомпрессора.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Провести анализ переходных процессов и выявить их влияния на технико-экономические показатели тепловозного дизеля.
2. Разработать математическую модель переходных процессов работы тепловозного дизеля на переходных режимах, позволяющую определять параметры рабочего тела во всех характерных точках газовоздушного тракта двигателя внутреннего сгорания, а также показатели качества работы системы воздухоснабжения.
3. На основании результатов исследования математической модели разработать мероприятия по совершенствованию системы воздухоснабжения тепловозного дизеля.
4. Провести расчетно-экспериментальную оценку по определению эффективности разработанных мероприятий сокращающих время переходного процесса.
5. Рассчитать ожидаемый экономический эффект от использования предложенных мероприятий регулирования давления наддува тепловозного дизеля.
Объект исследования
Система воздухоснабжения тепловозного дизеля 10Д100.
Предмет исследования
Переходные процессы и их влияние на технико-экономические показатели тепловозного дизеля.
Методы исследований
При выполнении работы использованы методы математического моделирования газодинамических процессов, методы математической статистики и теории вероятностей, компьютерного моделирования. Экспериментальная оценка параметров работы турбокомпрессора с применением систем регулирования наддува осуществлялась на стенде для испытания агрегатов наддува в локомотивном депо Моршанск Куйбышевской дирекции по ремонту тягового подвижного состава.
Обработка результатов испытаний турбокомпрессора, построение математической модели и программа расчетов выполнены в математических средах Excel и MathCAD.
Научная новизна
1. Разработана математическая модель работы тепловозного дизеля на переходных режимах, позволяющая определять параметры рабочего тела во всех характерных точках газовоздушного тракта двигателя внутреннего сгорания, а также показатели качества работы системы воздухоснабжения в зависимости от изменения нагружающего воздействия, отличающаяся от известных возможностью учитывать влияние регулировки системы воздухоснабжения (подкрутка ротора турбокомпрессора, подача дополнительного воздуха и др.) на параметры рабочего процесса.
2. Разработана методика, учитывающая особенности переходных процессов, которая позволяет сократить время приемистости турбокомпрессора тепловозного дизеля.
Положения, выносимые на защиту
1. Математическая модель работы тепловозного дизеля на переходных режимах.
2. Разработанные мероприятия по совершенствованию системы наддува дизеля.
3. Методика регулирования давления наддува тепловозного дизеля.
Достоверность научных положений и результатов
Достоверность подтверждена путём сопоставления результатов моделирования с параметрами работы агрегатов наддува в ходе экспериментальных исследований. Расхождение расчётных и экспериментальных данных не превышает 8 %. Также достоверность результатов подтверждается использованием современных методов, методик исследования, применением сертифицированных приборов и устройств измерения; положительными результатами внедрения технических решений на Куйбышевской дирекции по ремонту тягового подвижного состава.
Практическая ценность
1. Разработана методика регулирования давления наддува тепловозного дизеля заключающаяся в подаче дополнительного воздуха и паров воды на турбину турбокомпрессора в начальный период переходного процесса и до стабилизации режима работы дизеля.
2. Разработаны мероприятия по совершенствованию системы наддува тепловозного дизеля, позволяющие сократить время переходных процессов, снизить удельный расход топлива и повысить показатели качества работы турбокомпрессора.
3. Разработаны системы регулирования давления наддува тепловозного дизеля. Системы защищены Патентами РФ № 82005 по кл. F02М 37/12 от. 6.11.08; № 108490 по кл. F02B39/00, F02D23/00 от 13.05.2011
Апробация работы
Основные результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались на V Всероссийской научно-практической конференции Актуальные проблемы развития транспортного комплекса (Самара, 2009 г., СамГУПС), на международной научно-технической конференции Актуальные проблемы трибологии (Москва, 2007 г.), на научно-практической конференции Надежность ж.д. техники и управление (Самара, 2007 г. СамГУПС), на научно-практической конференции Обеспечение безопасного функционирования автомобильного транспорта в Самарской области (Самара, 2008 г.)
Публикации
По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе статей - 9, из них 2 в ведущих научных изданиях из Перечня ВАК РФ, 4 патента на полезную модель, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Материалы диссертационной работы содержат 142 страницы печатного текста, 7 таблиц и 32 рисунка, 3 приложения на 24 страницах. Список использованных источников состоит из 125 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и основные задачи исследования, представлена краткая характеристика ключевых аспектов работы.
В первой главе проведен анализ влияния переходных процессов на технико-экономические показатели тепловоза.
А.И. Володиным, А.Э. Симсоном и А.Э. Хомичем созданы методики оценки топливной экономичности дизелей в условиях эксплуатации с учетом установившихся режимов работы. В методиках В.Н. Васильева, А.П. Кудряша и А.Э. Хомича частично учитывается изменение эффективных показателей дизелей вследствие их работы в переходных режимах. Влияние переходных процессов на расход топлива предполагается учитывать путем введения дополнительных коэффициентов, значение которых находят на основании результатов сравнения расчетных и фактических расходов топлива тепловозов.
К работам в области улучшения качества рабочего процесса в переходных режимах относятся исследования В.А. Четвергова, Е.Е. Коссова и Сухопарова С.И., А.С. Космодамианского, Н.А. Фуфрянского, А.С. Анисимова и других.
Анализ теоретических и экспериментальных исследований по влиянию переходных процессов на технико-экономические показатели тепловозного дизеля показал, что время переходного процесса оказывает существенное влияние на экономические и экологические характеристики двигателя, что приводит к потере мощности и снижению экономичности последнего.
Таким образом, анализ опубликованных работ и проведённых исследований позволяет сделать следующие выводы:
1) исследование и анализ совместной работы дизеля и агрегатов системы наддува, являются важными в области повышения надежности дизельного тягового подвижного состава, повышения его экономических и экологических характеристик;
2) переходные процессы в дизелях с газотурбинным наддувом во многом зависят от режима работы турбокомпрессора, связано это с отставанием разгона ротора турбокомпрессора по сравнению с разгоном вала дизеля;
3) в настоящее время регулирование наддува в большинстве случаев не осуществляется.
С учётом вышеперечисленного были поставлены цель и задачи исследования в диссертационной работе.
Во второй главе на основании проведённого анализа влияния переходных процессов на технико-экономические показатели тепловоза разработана математическая модель работы тепловозного дизеля на переходных режимах, позволяющая определять параметры рабочего тела во всех характерных точках газовоздушного тракта двигателя внутреннего сгорания, а также показатели качества работы системы воздухоснабжения в зависимости от изменения нагружающего воздействия, отличающаяся от известных возможностью учитывать влияние регулировки системы воздухоснабжения (подкрутка ротора турбокомпрессора, подача дополнительного воздуха и др.) на параметры рабочего процесса.
Система уравнений математической модели состоит из двух основных групп:
- уравнений, описывающих квазистационарное течение рабочего тела по элементам дизеля и системы воздухоснабжения при фиксированных подаче топлива, угловой скорости коленчатого вала дизеля и роторов турбокомпрессоров, температурах теплоносителей, корпусных деталей выпускного тракта и наружного воздуха;
- дифференциальных уравнений, описывающих изменение во времени угловой скорости двигателя угловой скорости ротора турбокомпрессора в зависимости от нагружающего момента и момента сопротивления для двигателя и турбокомпрессора соответственно, а также уравнений массового баланса воздуха в ресивере и отработавших газов в выхлопном коллекторе.
В качестве методики расчета параметров рабочего процесса дизеля 10Д100 по результатам полномасштабных реостатных испытаний целесообразно использовать как метод Гриневецкого- Мазинга, так и метод Вибе.
В схеме газотурбинного наддува дизеля 10Д100 (рис. 1) были определены характерные точки, в которых проанализированы значения параметров, а также установлены зависимости мощности тягового генератора и дизеля от температуры и давления в газовоздушном тракте дизеля.
Рис. 1. Принципиальная схема тепловозного дизеля с высоким газотурбинным наддувом: Ф - фильтр надувочного воздуха, К Цкомпрессор турбокомпрессора, КП - приводной центробежный нагнетатель, ТО - охладитель надувочного воздуха, Р - редуктор, Т - турбина турбокомпрессора,
Г - глушитель
При исследовании рабочих процессов дизеля изменение значений основных параметров за время dt в процессе газообмена использована комбинация методов Гриневецкого-Мазинга и Вибе совместно с уравнениями энергетического и массового баланса, описывающими процессы в воздушном ресивере и выпускном коллекторе.
Первая часть математической модели составлена из системы уравнений описывающей квазистационарное течение рабочего тела. При составлении этой системы уравнений были учтены нижеследующие моменты.
Принимается, что рабочий процесс дизеля в каждый момент времени однозначно описывается совокупностью текущих значений определяющих параметров (частота вращения коленчатого вала, цикловая подача топлива, температура теплоносителей на входе в дизель, количество и состояние рабочего тела в начале сжатия), не зависит от теплового состояния корпусных деталей цилиндропоршневой группы и неустановившихся процессов в топливной аппаратуре. При расчетах установившихся режимов эти допущения обеспечивают удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных данных.
Исследования ряда авторов показали, что в переходном процессе изменяются условия теплообмена в цилиндре двигателя, характер процесса топливоподачи, качество смесеобразования, условия смазки цилиндра и др. Влияние перечисленных факторов на рабочий процесс дизеля нестационарно по отношению к начальным условиям и характеру переходного процесса; точно учесть его трудно. В принятой методике влияние этих факторов на индикаторный КПД цикла и температуру тела в конце расширения оценивалось приближенно на основании экспериментальных данных.
Для расчета расхода рабочего тела с учетом принятых допущений используется система алгебраических уравнений (1), последовательно отражающих зависимости перепадов давлений и изменение температуры рабочего тела по элементам дизеля и агрегатов воздухоснабжения представленным на рис. 1, от расхода рабочего тела при заданных значениях параметров, зависящих от времени.
(1)
При решении системы алгебраических уравнений учитывалось, что начальное и конечное значения давления рабочего тела равны атмосферному.
В этом случае
(2)
Степени повышения давления i, в каждом сечении тракта зависят от расхода рабочего тела, начальных условий и ряда параметров, изменяющихся во времени. Так как течение рабочего тела принято квазистационарным, уравнения для определения расходов не зависят от времени в явном виде. Обозначим степени повышения давления в сечениях i через xi, расход рабочего тела по тракту у, а переменные, зависящие от времени, zj.
К последним относятся угловые скорости коленчатого вала и роторов турбокомпрессоров, температура теплоносителей и поверхностей охлаждения, расход топлива и другие величины. Полный набор переменных у и zj однозначно определяет степени повышения давления хi в элементах газовоздушного тракта:
(3)
Произведение всех xi постоянно, поэтому
(4)
Учитывая равенство (3), из выражения (4) получим:
(5)
Так как соотношения между переменными х и z нелинейные, при решении задачи использовали численный метод определения частных производных в равенстве. Приращения переменных zi, зависящих от времени, определяются из системы дифференциальных уравнений.
Из данного условия численным методом находим расход рабочего тела по тракту с учётом принятой погрешности .
Температура рабочего тела в конце видимого сгорания Tz определяется в результате решения термодинамического уравнения сгорания, предложенного в методе Гриневецкого-Мазинга:
, (6)
где - коэффициент использования теплоты в точке z индикаторной дианграммы (концу видимого сгорания);
- коэффициент избытка воздуха в цилиндре двигателя;
- теоретически необходимое количество воздуха для сгорания единицы топлива;
- средние мольные изохорные теплоёмкости продуктов сгорания;
- средняя мольная изобарная теплоёмкость продуктов сгорания;
- коэффициент молекулярного изменения;
- низшая теплота сгорания топлива;
Ц степень повышения давления рабочего тела в процессе изохорического сгорания.
Температура газов на выходе из турбины представляет собой функцию перепада давлений и КПД T турбины
(7)
КПД турбины является функцией угловой скорости ротора турбокомпрессора, располагаемого напора и перепада давлений. Для турбины турбокомпрессора зависимость КПД во всем диапазоне возможных режимов работы, имеет вид
(8)
где HTЧ располагаемый напор турбины:
(9)
Численные коэффициенты в этой зависимости определены по результатам обработки экспериментальных данных, полученных при работе турбокомпрессора на стенде.
В качестве законов нагружения использовались функциональные зависимости мощности нагрузки и подачи топлива от времени или других параметров. В этом случае можно рассматривать только рабочие процессы в двигателе.
Полученные уравнения дизеля, турбокомпрессора, впускного и выпускного трубопроводов образуют систему дифференциальных уравнений, представляющих собой математическую модель дизеля с турбонаддувом. Эта система имеет вид:
(10)
При определении величин С и D, входящих в два последних уравнения, использованы функциональные зависимости для температуры отработавших газов TT и наддувочного воздуха Tк в виде
; (11)
. (12)
Данная система уравнений позволяет учитывать влияние величины подкрутки при заданном законе , заданной величины подаваемого воздуха заданной величине подачи пара .
Третья глава посвящена разработке мероприятий по совершенствованию системы воздухоснабжения тепловозного дизеля 10Д100.
В диссертационной работе предложен способ улучшения показателей переходного процесса дизеля с турбонаддувом с помощью внедрения автоматической подачи дополнительного воздуха от внешнего источника (пневматической системы).
Также были разработаны и исследованы принципиально новые исполнительные механизмы такой системы, учитывающие особенности работы тепловозных дизелей с турбонаддувом на неустановившихся режимах, которые в эксплуатации тепловоза на маневровой работе составляют 70-80% времени их работы.
При оборудовании двигателя системой автоматической защиты и настройке ее исполнительного механизма (пневмокорректора по наддуву) на 30%-ное снижение подачи топлива на номинальном режиме работы характер изменения основных показателей работы двигателя во время переходного процесса значительно отличается от серийного дизеля. Это выражается, прежде всего, в увеличении времени задержки подачи топлива на режимах, близких к номинальному.
Первоначально расход топлива В резко возрастает до 73,4 % его значения на номинальном режиме. За счет воздействия штока пневмокорректора, перемещение которого зависит от величины рв, на протяжении последующего времени подача топлива не только не увеличивается, а даже несколько уменьшается и затем начинает возрастать до номинального значения. При оборудовании дизеля с наддувом пневмокорректором снижение дымности отработавших газов достигается за счет ограничения подачи топлива, что, в свою очередь, вызывает увеличение времени переходного процесса и снижение производительности дизеля.
При оборудовании двигателя системой подкрутки ротора турбокомпрессора на переходных и неустановившихся режимах также изменяется характер изменения основных показателей работы дизеля в отличие от серийного дизеля. Это выражается в большей подаче воздуха компрессором турбокомпрессора в цилиндры дизеля и как следствие улучшается смесеобразование в них.
В ходе выполнения диссертационной работы была разработана система регулирования наддува (рис. 2).
Система работает следующим образом. При наборе нагрузки, в случае если модуль регистрации 26 фиксирует изменение частоты вращения коленчатого вала дизеля и расхода топлива более чем на 5 % через модуль управления включается подача паровоздушной смеси на лопатки турбины 6 турбокомпрессора. Отключение системы подачи происходит, когда топливоподача не увеличивается более чем на 3% в течение 10 секунд
При наборе нагрузки система работает следующим образом. Блок управления подаёт сигнал на дозатор-распределитель воды 17, вследствие чего вода поступает в испаритель теплоаккумулирующего агрегата 18. Там вода испаряется и преобразуется в пар, после чего по трубопроводам подается на лопатки турбокомпрессора 3. При этом ротору турбокомпрессора сообщается дополнительная энергия пара, что увеличивает частоту вращения его ротора и приводит к увеличению подачи воздуха в цилиндры дизеля. В цилиндрах дизеля происходит следующее. В первый момент набора нагрузки происходит снижение топливовоздушного соотношения , но в следствие подачи большего количества воздуха в цилиндры, данное снижение будет меньше, чем снижение при использовании системы воздухоснабжения без регулировки. В последующие моменты времени происходит плавное повышение до величин характерных для вновь установившегося режима.
Предлагаемая система для регулирования давления наддува двигателя внутреннего сгорания позволяет повысить эффективность работы двигателя за счет сокращения времени переходных и неустановившихся режимов на 5-10%, снизить время разгона ротора турбокомпрессора в 1,5-2 раза, тем самым снизить токсичность отработавших газов в 2-3 раза, особенно на переходных режимах, и снизить удельный расход топлива двигателя на 3-5 %.
Рис. 2. Система для регулирования давления наддува тепловозного дизеля: 1- двигатель внутреннего сгорания, 2 - смеситель продуктов пиролиза и воздуха, 3 - турбокомпрессор, 4 - компрессор, 5 - расходомер воздуха, 6 - приводная паровая турбина, 7- блок управления подачей топлива, 8 - дозатор топлива, 9 - расходомер топлива, 10 - смеситель паров топлива и водяного пара, 11 - блок управления подачей воды, 12 - бак для воды, 13 - теплоизолированная сменная бустерная емкость, 14 - бустерная емкость, 15 - расходомер воды, 16 - водяной насос, 17 - дозатор - распределитель воды, 18 - испарительный теплоаккумулирующий агрегат, 19 - закалочно-испарительный агрегат, 20 - патрубок , 21 - дозатор - распределитель отработавших газов, 22 - конденсатор паров воды, 23 - устройство регулирования наддува двигателя внутреннего сгорания; 24 - датчик частоты вращения, 25 - измеритель крутящего момента, 26 - модуль регистрации, 27 - модуль анализа, 28 - модуль контроля и принятия решений, 29 - модуль управления, 30 - модуль индикации
Расчётные исследования, выполненные с помощью разработанной математической модели, показали:
- При оборудовании дизеля с наддувом пневмокорректором снижение дымности отработавших газов дает увеличение времени переходного процесса при наборе нагрузки с 45 секунд до 55, но между тем улучшается качество смесеобразования в цилиндрах, что положительно сказывается на состоянии цилиндропоршневой группы.
- При подаче дополнительного воздуха в цилиндры дизеля от стороннего источника переходный процесс сокращается с 45 секунд до 35 и сопутствует увеличению коэффициента избытка воздуха на 35%.
- При подкрутке ротора турбокомпрессора до частоты вращения равной 1,1nтк.ном номинальной частоты вращения происходит снижение времени переходного процесса с 45 секунд до 41. Подкрутка также положительно сказывается на качестве смесеобразования в цилиндрах дизеля.
- Совместное применение всех трёх средств регулирования переходными процессами приводит к снижению времени их протекания с 45 секунд до 31 секунды.
В четвертой главе проведены расчетно-экспериментальные исследования систем регулирования наддува тепловозного дизеля.
В условиях локомотивного депо Моршанск Куйбышевской дирекции по ремонту тягового подвижного состава на стенде для испытания турбокомпрессоров в ходе расчетно-экспериментального исследования было проанализировано влияние состояния подшипников турбокомпрессора на теплотехнические параметры турбокомпрессора.
Замерялись температура и давление воздуха перед турбиной в момент начала движения и определялась мощность, затрачиваемая на вращение ротора турбокомпрессора (рис. 3).
В ходе экспериментального исследования были обработаны данные 10 испытуемых турбокомпрессоров и построены графики зависимостей параметров турбокомпрессора в момент страгивания. В момент начала вращения ротора турбокомпрессора исходя из второго уравнения системы (10) при и мощности развиваемой компрессором вся мощность турбины расходуется на преодоление сил трения. А величина сил трения напрямую зависит от их технического состояния. В дальнейшем можно использовать данную экспериментальную характеристику при определении состояния механической части турбокомпрессора.
Рис. 3 Исследование работы турбокомпрессора на стенде в момент страгивания
В диссертационной работе представлен анализ эффективности применяемых мероприятий по оптимизации параметров переходного процесса.
Переходные процессы дизеля исследовались при наборе нагрузки с холостого хода до номинальной и сбросе нагрузки с номинальной до холостой.
На рисунке 4 представлены данные сравнительного исследования переходного процесса двигателя 10Д100 при наборе нагрузки до номинальной. Кривыми 1 изображены переходные процессы серийного двигателя 10Д100, кривыми 2 двигателя оборудованного автоматизированной системой регулирования давления наддува двигателя внутреннего сгорания.
При наборе нагрузки до номинальной подачи топливного насоса высокого давления занимали положение номинальной подачи 4 с. По мере увеличения подачи топлива возрастает и мощность двигателя, которая через 12 с достигает номинального значения. Частота вращения ротора турбокомпрессора nтк, расход воздуха G, коэффициент избытка воздуха достигают своих номинальных значений через 47 секунд.
Рис. 4. Зависимость показателей дизеля 10Д100 во время переходного процесса при наборе нагрузки до номинальной:1 - серийный дизель 10Д100; 2- двигатель оборудованный автоматизированной системой регулирования давления наддува
Несоответствие между количеством подаваемого топлива и воздуха во время переходного процесса приводит к значительному уменьшению полного воздушно-топливного отношения, которое резко уменьшается за 4 с до 1,2, а затем плавно увеличивается и стабилизируется на уровне = 2,2 через 45 с от начала переходного процесса.
При использовании автоматизированной системы регулирования воздухоснабжением, разработанной автором, улучшается смесеобразование и сгорание, что вызывает увеличение давление газов перед турбиной и соответственно увеличение величины nтк . За счёт этого полное воздушное соотношение увеличивается: через 5 секунд после начала переходного процесса оно становиться равным = 1,8, что на 40% больше значения без использования автоматизированной системы регулирования наддува. Коэффициент избытка воздуха стабилизируется на номинальном уровне на 15 секунд раньше, чем у серийного двигателя.
Проведённые расчетно-экспериментальные исследования работы дизеля 10Д10 на неустановившихся режимах позволяют сделать следующие выводы:
- при оборудовании тепловоза системой регулирования наддувом переходный процесс характеризуется большими значениями коэффициента избытка воздуха и сокращением времени переходного процесса;
- увеличение коэффициента избытка воздуха во время переходного процесса положительно сказывается на уровне экологического воздействия тепловоза на окружающую среду, улучшается воздушно-топливное соотношение, что приводит к существенному снижению выбросов вредных веществ в атмосферу;
- увеличение коэффициента избытка воздуха и уменьшение времени переходных процессов приводит к улучшению основных параметров, влияющих на надежность и эффективность работы двигателя.
В ходе экспериментального исследования была проверена адекватность предложенной математической модели. Расчёты, выполненные с помощью разработанной математической модели, показали хорошую сходимость с результатами, полученными в ходе расчетно-экспериментальных исследований переходных процессов с применением разработанной системы регулирования наддува. Расхождение расчётных и экспериментальных данных не превышает 8 %.
В пятой главе рассчитан чистый дисконтируемый доход от применения системы регулирования наддува тепловоза серии 2ТЭ10(М, У). Для проведения расчётов были выбраны следующие данные:
- применение системы регулирования наддува тепловоза 2ТЭ10(М; У) позволит снизить эксплуатационный расход топлива на 2 %;
- стоимость дизельного топлива 20 руб/кг.
Как показывает расчёт, чистый дисконтируемый доход от использования разработанной системы за счёт сокращения времени переходных режимов, а как следствие экономии топлива, рассчитанный с учётом затрат на разработку и внедрение составит 2,073 млн. руб. в год на один оборудованный тепловоз. Срок окупаемости затрат на разработку и внедрение составит 1,99 года.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
- Анализ влияния переходных процессов на технико-экономические показатели тепловоза показал, что переходные процессы в дизелях с газотурбинным наддувом во многом зависят от режима работы турбокомпрессора. Связано это, прежде всего, с отставанием разгона турбокомпрессора по сравнению с разгоном вала дизеля. Инерционность турбокомпрессора можно повысить с помощью специализированных устройств регулирования наддува, но анализ показал, что в настоящее время системы регулирования наддува в большинстве случаев не используются.
- Разработана математическая модель работы тепловозного дизеля на переходных режимах, позволяющая определять параметры рабочего тела во всех характерных точках газовоздушного тракта двигателя внутреннего сгорания, а также показатели качества работы системы воздухоснабжения в зависимости от изменения нагружающего воздействия, отличающаяся от известных возможностью учитывать влияние регулировки системы воздухоснабжения (подкрутка ротора турбокомпрессора, подача дополнительного воздуха и др.) на параметры рабочего процесса. В результате моделирования получено, что время переходного процесса дизеля 10Д100 при наборе нагрузки с частоты вращения вала дизеля 450 об/мин до 850 об/мин составляет 52 секунды.
- Разработаны системы регулирования наддува тепловозного дизеля, позволяющие сократить время переходного процесса дизеля 10Д100 с 52 секунд до 35 секунд. Регулирование осуществляется путём подачи дополнительного воздуха в систему воздухоснабжения, и путем использования вспомогательного турбокомпрессора, работающего от энергии пара.
- В ходе расчетно-экспериментального исследования системы регулирования воздухоснабжения на стенде для испыта ния дизеля 10Д100 было получено, что время переходного процесса при применении системы сокращается на 25-30%. Экспериментальные исследования показали, что расхождение данных полученных с помощью математической модели и данных полученные экспериментальным путём не превысило 8 %.
- Предполагаемый экономический эффект от системы регулирования наддува тепловозного дизеля применительно к магистральному тепловозу серии 2ТЭ10(М; У) составит 2,073 млн. руб. в год. Срок окупаемости системы составит 1,99 года.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
1. Становова Ю.Ю. Определение технического состояния турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя [Текст] / Д.Я. Носырев, А.А. Свечников, Ю.Ю. Становова // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. - Выпуск 3. - Ростов-н/Д: РГУПС, 2010. - С59-63.
2. Становова Ю.Ю. Исследование работы ДВС с применением модернизированной системы воздухоснабжения [Текст] / Д.Я.Носырев, Ю.Ю. Становова, А.А. Свечников // Вестник транспорта Поволжья. - Выпуск 6. - Самара : СамГУПС, 2011. - С23-29.
3. Пат. 108490 Российская Федерация, МПК U1 F02B39/00, F02D23/00. Привод турбокомпрессора тепловозного двигателя внутреннего сгорания. [Текст] / Ю.Ю. Становова, Д.Я. Носырев, В.И. Ломакин; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО СамГУПС. - №2011119438/06; заявл. 13.05.2011; опубл. 20.09.2011, Бюл. №26. -3 с.: ил.
4. Становова Ю.Ю. Система учёта, планирования, контроля и диагностирования при исследовании турбокомпрессора [Текст] / Д.Я. Носырев, А.А. Свечников, Ю.Ю. Становова // Известия Самарского научного центра Российской академии наук: Специальный выпуск Актуальные проблемы машиностроения. - Самара: Самарский научный центр РАН, 2009. - С. 296-298.
5. Пат. 82005 Российская Федерация, МПК U1 F02M 37/12. Система для регулирования давления наддува двигателя внутреннего сгорания [Текст] / Д.Я. Носырев, Ю.Ю. Становова, А.В. Старикова; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО СамГУПС. - №2008144110/22; заявл. 06.11.2008; опубл. 10.04.2009, Бюл. №10. -3 с.: ил.
6. Пат. 84556 Российская Федерация, МПК U1 G01M 15/00; F04D 27/02. Стенд для исследования компрессоров [Текст] / Д.Я. Носырев, Ю.Ю. Становова, заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО СамГУПС . - №2008151651/22; заявл. 25.12..2008; опубл. 10.07.2009, Бюл. №19. -3 с.: ил.
7. Пат. 84595 Российская Федерация, МПК U1 G06F 17/00. Система учета, планирования и контроля при совершении действий с ресурсами [Текст] / Ю.Ю. Становова, Д.Я. Носырев, С.В. Коркина, заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО СамГУПС . - №2009105651/22, заявл. 18.02.09; опубл. 10.07.2009, Бюл. №19. -3 с.: ил.
8. Расчет газовоздушного тракта тепловозного дизеля типа 10Д100 на переходных и неустановившихся режимах [Текст] / Д.Я. Носырев, Ю.Ю. Становова // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011611249. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 7.02.2011.
9. Становова Ю.Ю. Особенности расчета газовоздушного тракта дизеля 10Д100 [Текст] / Д.Я. Носырев, Ю.Ю. Становова // Дни студенческой науки: сб. материалов XXXVI научной конференции студентов и аспирантов/ Самарский гос. ун-т путей сообщения. - Выпуск 10. - Самара: СамГУПС, 2009. - 268 с.
10. Становова Ю.Ю. Стенд для исследования компрессоров [Текст] / Ю.Ю. Становова, Д.Я. Носырев // Актуальные проблемы развития транспортного комплекса : материалы V Всероссийской научно-практической конференции (2009 г., Самара). - Самара: СамГУПС, 2009. - С. 82-84.
11. Становова Ю.Ю. Проблемы повышения эффективности работы дизелей на переходных и неустановившихся режимах [Текст] / Ю.Ю. Становова, Д.Я. Носырев // Дни студенческой науки: сб. материалов XXXIV научной конференции студентов и аспирантов. - Выпуск 8. - Самара: Сам ГАПС, 2007. - С. 243.
12. Становова Ю.Ю. Влияние переходных и неустановившихся режимов на изнашиваемость деталей дизеля [Текст] / Ю.Ю. Становова, Д.Я. Носырев // Актуальные проблемы трибологии : материалы трудов международной научно-технической конференции Том 3, (Самара, июнь 2007). - М.: Машиностроение, 2007. - С. 729-736.
13. Становова Ю.Ю. Влияние переходных и неустановившихся режимов на рабочий процесс дизеля [Текст] / Ю.Ю. Становова, Д.Я. Носырев // Надежность ж.д. техники и управление : материалы научно-практической конференции (11-12 апреля 2007г., Самара). - Самара: СамГУПС, 2007. - С.96-99
14. Становова Ю.Ю. Система повышения эффективности наддува транспортных двигателей [Текст] / Ю.Ю. Становова // Обеспечение безопасного функционирования автомобильного транспорта в Самарской области : материалы научно-практической конференции. - Самара: СамГУПС, 2008. - С. 43-45.
Становова Юлия Юрьевна
Повышение эффективности работы системы воздухоснабжения
тепловозного дизеля на неустановившихся режимах
05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация
__________________________________________________________
Подписано в печать 15.02.2012. Формат 60×90 1/16.
Усл. печ. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ № 25.
Отпечатано в Самарском государственном университете путей сообщения.
443022, Самара, Заводское шоссе, 18.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям