ЭЖЕКЦИОННАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ

МОТОРНОЙ УСТАНОВКИ С ДВИГАТЕЛЕМ В-46

Канд. техн. наук В. С. ДУБОВ, В. А. ИВАНОВ, Л. С. МЕЛЬНИКОВ,

д-р техн. наук Г. А. МИХАИЛОВ, П. А. ОСИПОВ

Вестник бронетанковой техники. 1976. №2

С момента разработки двигателей типа В-46 были созданы эжекционные системы охлаждения ряда опытных образцов бронетанковой техники средней и промежуточной весовых категорий, различных по своим тактико-техническим характерис­тикам и отличающихся компоновкой моторно-трансмиссионного отделения (MTO). Эту задачу оказалось возможным решить благодаря ранее разработанной теорий и методу расчета танковых эжекторов. Проектирование и испытания показали эффективность работы двигателя В-46 с эжекцион­ной системой охлаждения на машинах различного назначения.

Статья посвящена обобщению материала по созданию таких систем и может быть использована при их проектировании.

Моторные установки, на которых определялись экспериментальные характеристики, включали в себя двигатель, выпускную систему, эжекционную систему охлаждения, воздухоочиститель и систему пылеудаления из бункера воздухоочистителя.

В процессе испытаний статическое разрежение в подводящем к нагнетателю патрубке было равно P_н = 1250÷1400 кгс/м², противодавление выпуску (статическое давление в выходном сечении коллек­торов) — P_r = 0,37 кгс/см².

В некоторых моторных установках для обеспе­чения работы эжектора пылеудаления производил­ся отбор воздуха после нагнетателя в количестве 6% от расхода воздуха через двигатель.

Приведенные в статье показатели, необходимые для проектирования эжекционной системы охлаж­дения, получены на основе обобщения эксперимен­тальных значений семи опытных танков с двигате­лями мощностью 710—750 л.с.

Внешняя характеристика двигателя В-46 в ус­ловиях работы в танке приведена на рис. 1.

Высокая топливная экономичность обусловлена как малыми значениями величины удельного рас­хода топлива самого двигателя, так и незначи­тельным снижением мощности AN от установки моторных систем (8% при ΔN_макс). При этом, сниже­ние мощности от установки эжектора системы охлаждения составляло менее половины суммар­ной величины (~3%). Отбор воздуха от нагнета­теля (6%) для работы эжектора пылеудаления приводил к снижению мощности примерно на 5 л.с.

На одной из первых модификаций двигателя В-46 — двигателе В-45Т, предназначенном для ра­боты с эжекционной системой охлаждения, было использовано газораспределение с увеличенными фазами впуска и выпуска.

Испытания показали, что мощность в этом слу­чае снижалась примерно на 15 л.с., но топливная экономичность осталась на прежнем уровне вслед­ствие увеличенного удельного расхода топлива двигателя без систем. Кроме того, повысилась тем­пература выпускных газов на 40—50° С.

Рис. 1. Изменение параметров мотор­ной установки (N_{e макс}= 730 л.с.) в танке по внешней характеристике:

1 — теплоотдача в масло; 2 — расход воз­духа; 3 — теплоотдача в воду;

4 — часо­вой расход топлива; 5 — величины за­трат мощности; 6 — температура выпуск­ных газов;

7 — удельный расход топлива при t_окр = 40° С;

8 — удельный расход топлива при t_окр = 20° С

Поэтому оказалось нецелесообразным применение различ­ной регулировки фаз газораспределения для дви­гателей, предназначенных для объектов с эжек­ционной и вентиляторной системами охлаждения.

Увеличение температуры окружающего воздуха с 20 до 40° С приводило к снижению мощности двигателя на 2%, примерно на эту же величину ухудшалась и топливная экономичность.

Для сравнения следует отметить, что величина удельного расхода топлива для моторных устано­вок с двигателем 5ТДФ и эжекционной системой охлаждения и двигателем В-46 с вентиляторной системой охлаждения равна соответственно 200 и 206 гс/(л.с.-ч) при t_окр = 15° С, а при t_окр = 40° С эти величины соответственно равны 212 и 220 гс/(л.с. ч).

Теплоотдача двигателя в воду Q_в при t_окр = 40° С на режиме максимальной мощности со­ставляет приблизительно 15,3% от количества тепла, подводимого в двигатель с топливом Qt, что несколько меньше, чем величина теплоотдачи в воду по ТУ, равная при N_е = 730 л.с., примерно

16,5%. На режиме максимального крутящего мо­мента относительная величина теплоотдачи в воду  возрастает до 17%.

С падением загрузки двигателя теплоотдача в воду уменьшается достаточно быстро, особенно при низкой частоте вращения (рис. 2), что пред­определяет интенсивное падение температуры воды с уменьшением загрузки.

Расход воздуха двигателем G _в несколько выше величины, установленной ТУ на двигатель. Сниже­ние расхода воздуха от установки систем состав­ляет 14%.

Специальные испытания показали, что при от­боре воздуха после нагнетателя при использовании в эжекторе пылеудаления или продувки MTO (6%) расход воздуха через двигатель практически не изменяется, а расход воздуха через нагнетатель увеличивается на отбираемую величину.

Особенности конструкции эжекционной системы охлаждения позволяют применить ее в самых раз­нообразных компоновках MTO с продольным и по­перечным расположением двигателя.

На одной из модификаций танка Т-64А попе­речное расположение двигателя определило разме­щение эжектора системы охлаждения с выпуском газовоздушной смеси в кормовую часть, а также объединение выпускных газов от шести цилиндров в одном коллекторе.

Рис. 2. Изменение параметров моторной установки в танке по нагрузке:

температура выпускных газов (1 – n = 2000, 2 — n = 1400 об/мин);

теплоотдача в масло (3 — n = 2000÷1400 об/мин);

теплоотдача в воду 4 — n = 2000, 5 — n = 1800, 6 — n = 1400 об/мин)

Аналогичное взаимное расположение двигателя и эжекционной системы охлаждения принято и для машин промежуточной весовой категории, для ко­торых условие обратимости MTO для всех мо­дификаций потребовало продольного, смещенного от оси корпуса машины, расположения двигателя и размещения эжектора с выпуском газовоздуш­ной смеси в сторону одного борта.

На ряде инженерных машин с продольным расположением двигателя применена система охла­ждения, состоящая из двух эжекторов с выпуском газовоздушной смеси в сторону обоих бортов.

Эжекционная система охлаждения обеспечи­вает тепловую маскировку выхлопа за счет низкой температуры газовоздушной смеси после эжектора; герметичность воздушного тракта системы охла­ждения предотвращает скопление в MTO радио­активной пыли при преодолении зараженных участ­ков местности и обеспечивает защиту узлов, распо­ложенных в МТО, от воздействия горючих жидко­стей. Установленные в газоходах клапаны ОПВТ делают подготовку к преодолению водных преград по дну минимальной и позволяют преодолевать глубокие броды без подготовки.

Трудности создания эжекционных систем охла­ждения заключаются в том, что в ограниченных объемах MTO должна быть размещена система, работоспособная при t_окр = 40° С при строго опре­деленной величине противодавления выпуску. При этом, каждую машину следует проектировать инди­видуально, на основе существующих методов (ОСТ В-3-1470—72), в зависимости от ТУ на дви­гатель по допустимой температуре воды и масла, типа трансмиссии и требований охлаждения допол­нительного оборудования.

Несмотря на это, всем системам присущи об­щие черты, позволяющие выработать некоторые единые рекомендации для выбора параметров.

Допустимая величина противодавления вы­пуску для двигателя В-46 равняется 0,3 кгс/см² при t_окр = 35° С. Ho параметры эжектора следует рассчитывать при полном напоре газа в сопле, равном 0,27—0,28 кгс/см², так как подвод газа к соплам ресивера сопровождается некоторой по­терей давления. Расчет показывает, что при G_в = 0,97 кгс/с и t_r = 670° С суммарная площадь выпускных сопел равна 70-71 см². Ввиду того, что 10-14% выпускных газов необходимо использо­вать для обеспечения работы эжектора пылеудале­ния, площадь сопел эжектора системы охлаждения равна 60-63 см². При проектировании ресивера надо иметь в виду, что скорость выпускных газов вдоль ресивера не должна превышать 80-90 м/с, что приведет к приемлемой патере давления.

По условиям компоновки в MTO обычно разме­щается эжектор с шириной проточной части 1750—1900 мм, высотой камеры смешения 85-100 мм, при этом масштаб эжектора оказывается равным т = 22÷30.

Для удовлетворительного перемешивания эжек- тируемого воздуха и эжектирующего газа при длине проточной части эжектора 450-550 мм необ­ходимо использовать сопловой аппарат с двумя рядам сопел. В редких случаях при длине проточ­ной части эжектора более 700 мм представляется возможным применить однорядный сопловой аппа­рат.

На рис. 3 приведены расчетные характеристики эжекторов (т = 22 и 30) с типичной длиной про­точной части и предельные сопротивления воздуш­ных трасс, включающих входные жалюзи и пакет радиаторов. Верхний предел расхода охлаждаю­щего воздуха достигается одновременно увеличе­нием масштаба эжектора и фронтальной поверх­ности радиаторов. Причем, наиболее эффективно увеличение масштаба за счет ширины эжектора, а не высоты камеры смешения, так как в этом слу­чае нет необходимости в одновременном увеличе­нии длины проточной части.

Рис. 3. Расчетные характеристики эжекто­ров (1 - m = 30 и 2 - m = 22)

и сопро­тивления воздушных трасс (3 -  F_фр = 1,2 м², z = 8 рядов, 4 - F_фр  = 1,2 м²,

z = 10,5 - F_фр = 1 м², z = 8)

Параметры пакета и взаимное расположение радиаторов должны выбираться в зависимости от типа применяемой трансмиссии и допустимой тем­пературы воды. Здесь желательно одновременное достижение предельных значений температур всех охлаждаемых агентов.

При применении механической трансмиссии с умеренными теплоотдачами (30·10³ — 40· 10³ ккал/ч) и сравнительно низкой допустимой температурой масла (115-125 °С) на выходе наиболее эффек­тивно располагать масляные радиаторы трансмис­сии и двигателя над водяными; глубина каждого масляного радиатора равна двум рядам.

На машинах с гидромеханической трансмис­сией, имеющей теплоотдачу порядка 100·10³ ккал/ч и высокую допустимую температуру масла (130-140 °С), трансмиссионный радиатор следует распо­лагать под водяными радиаторами, при этом фрон­тальная поверхность радиаторов должна быть увеличена до 1,15-1,25 м². Необходимая глубина трансмиссионного радиатора равна трем-четырем рядам.

На первых образцах двигателя В-45 допусти­мая температура воды на выходе была равна 125° С. Это позволяло при механической транс­миссии обеспечить охлаждение двигателя шести­рядным радиатором с фронтальной поверхностью, равной 1 м². В дальнейшем допустимая темпера­тура воды была снижена до 115-120° С, что потребовало его увеличения до 1,1-1,2 м² даже при механической трансмиссии. Размещение радиато­ров ГМТ под водяными исключает дополнительный подогрев воздуха на входе в них и позволяет уменьшить глубину водяных радиаторов до пяти рядов.

Рис. 4. Изменение параметров системы охлаждения по частоте вращения:

изменение температуры воды (1— выпускная система с объеди­нением по шести цилиндрам,

2 — выпускная система с объеди­нением по трем цилиндрам); из­менение температуры масла (3 — выпускная система с объе­динением по трем и шести ци­линдрам); изменение коэффи­циента эжекции, отнесенного к значению при n = 2000 об/мин (4 — выпускная система с объеди­нением по трем цилиндрам,

5 — выпускная система с объединением по шести цилиндрам)

Объемы, занимаемые системой охлаждения спроектированных машин, находятся в пределах 0,60-0,75 м³, причем меньший объем имеет систе­ма охлаждения с механической трансмиссией и до­пустимой температурой воды и масла 125°С, а больший объем — в случае применения ГМТ и до­пустимой температуры воды и масла 115° С.

Несмотря на увеличение объема системы охла­ждения для машин с ГМТ, их удельная теплорас­сеивающая способность находится на уровне 50· 10⁴ккал/(ч·м³), как и в танках Т-64А и Т-72.

Существенное влияние на выбор параметров системы охлаждения оказывает характер измене­ния температуры воды двигателя по частоте вра­щения и нагрузке.

Как показывают расчеты

где q — коэффициент эжекции;

G₁ — расход эжектирующего газа;

 — средняя температура воды;

 — температура воздуха перед радиатором.

Отсюда, для поддержания постоянной величи­ны температуры воды в некотором диапазоне режи­мов работы двигателя должно соблюдаться усло­вие

Для двигателя В-46 при постоянном q это усло­вие не соблюдается и при снижении частоты вра­щения с 2000 до 1400 об/мин по внешней характе­ристике величина возрастает на 17%, что приводит к росту температуры воды на выходе из двигателя на 7° С и наблюдается при выхлопной системе, объединяющей в одном выпускном кол­лекторе газ от шести цилиндров.

Более благоприятный характер изменения тем­пературы воды на выходе двигателя отмечен при объединении в одном коллекторе выпускных газов лишь от трех цилиндров.

Здесь, на низких частотах вращения коленчато­го вала, наблюдается рост коэффициента эжекции q вследствие повышения энергии выпускных газов за счет пульсации скорости истечения, что, в свою очередь, замедляет рост температуры воды (рис. 4). При этом, до 1600 об/мин температура воды остается практически постоянной. Такая си­стема выхлопа оказывается также предпочтитель­нее по условиям работы двигателя и эжекционной системы пылеудаления на минимальных частотах вращения холостого хода. Однако конструкция выпускной системы при этом усложняется из-за четырех газовых стыков вместо двух.

Температура масла в отличие от температуры воды на выходе из двигателя интенсивно падает с уменьшением частоты вращения (см. рис. 4).

Таким образом, наиболее сложной задачей яв­ляется охлаждение масла двигателя на n = = 2000 об/мин и воды на n ≤ 1400 об/мин. В то же время охлаждение двигателя на указанных край­них режимах не есть необходимое условие успеш­ной эксплуатации машин. Быстрое снижение тем­пературы масла с уменьшением частоты вращения и температуры воды с падением загрузки двига­теля позволяет проектировать систему охлаждения в условиях максимально допустимых температур и при предельной температуре воздуха на средних эксплуатационных частотах вращения.

Стремление обеспечить охлаждение воды и мас­ла во всем диапазоне частоты вращения может привести к необоснованному увеличению объемов системы охлаждения.

Высокая удельная мощность машин нового по­коления позволяет проектировать систему охла­ждения двигателя В-46, обеопечивая охлаждение при предельной температуре окружающего воз­духа на неполной загрузке, например на (0,80-0,85) N_eмакс. Такой подход способствует уменьше­нию объема системы охлаждения и совершенство­ванию компоновки MTO и не приводит к каким- либо ограничениям в условиях реальной эксплуа­тации, что подтверждается уже имеющимся опы­том эксплуатации ряда машин.

Таблица 1

Параметры эжекционных систем охлаждения

*Два эжектора.

Таблица 2

Результаты испытаний эжекционной системы охлаждения опытного танка

Т-64А с двигателем В-46 на нагрузочном стенде

Примечание. Допустимая температура воды двигателя, масла двигателя и масла трансмиссии соответствует 125° С.

Как уже отмечалось выше, за последние годы был создан ряд машин с двигателем В-46 и эжекционной системой охлаждения. Некоторые пара­метры систем охлаждения этих машин приведены в табл. 1.

Стендовые и ходовые испытания опытных об­разцов показали, что эжекционная система обеспе­чивает охлаждение двигателей и трансмиссий в ус­ловиях реальной эксплуатации без ограничения по скорости движения.

В качестве примера в табл. 2 приведены ре­зультаты испытаний эжекционной системы охла­ждения опытного образца танка Т-64А с двигателем типа В-46 на нагрузочном стенде  предприятия п./я А-7701, а в табл. 3 некоторые результаты ходо­вых испытаний [1].

Таблица 3

Результаты ходовых испытаний эжекционной системы охлаждения опытного

танка Т-64А с двигателем В-46 на грунтовой дороге

Ходовые испытания семи опытных образцов с двигателем В-46 и эжекционной системой охлажде нияподтвердили простоту и надежность системы в эксплуатации и выполнение всех тактико-техни­ческих требований на эти машины.

ЛИТЕРАТУРА

1. Отчет по испытаниям двух танков Т-64А с двигателем типа В-46 на 5000 км пробега и двигателя В-45 на 300 мото­часов работы в танке. Предприятие п/я А-3501, 1967.