|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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 Pн = 1250÷1400 кгс/м2, противодавление выпуску (статическое давление в выходном сечении коллекторов) — Pr = 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 ΔNмакс). 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 (Ne 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 tокр = 40° С; 8 — удельный расход топлива при tокр = 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 tокр = 15° С, а при tокр = 40° С эти величины соответственно равны 212 и 220 гс/(л.с. ч). Теплоотдача двигателя в воду Qв при tокр = 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 Nе = 730 л.с., примерно 16,5%. На режиме максимального крутящего момента
относительная величина теплоотдачи в воду 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 tокр = 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 tокр = 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 Gв = 0,97 кгс/с и tr = 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 - Fфр = 1,2 м2, z = 8 рядов, 4 - Fфр = 1,2 м2, z = 10,5 - Fфр = 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;
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 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) Neмакс. 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. |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|