ГЛАВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Турбопоршневые двигатели. Дизель, дизельные двигатели

  

Вся электронная библиотека >>>

 Катера >>>

 

 

 

 БЫСТРОХОДНЫЕ КАТЕРА


Раздел: Техника

 

ГЛАВА XI ГЛАВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

  

К числу наиболее важных вопросов, заслуживающих рассмотрения при изучении быстроходных судов малого водоизмещения, следует отнести вопрос о мощности, потребной для движения судов этого типа, а также некоторые специальные проблемы, связанные с их проектированием.

Для военно-морских кораблей, предназначенных для наступательных операций и потопления быстроходных вражеских кораблей, вполне обоснованна, на наш азгляд, скорость хода порядка 50 узлов. Эта скорость, конечно, должна быть получена при одновременном обеспечении необходимых мореходных качеств, дальности плавания и вооружения, соответствующих назначению корабля.

Для того, чтобы в достаточной степени надежно обеспечить скорость хода 50 узлов, необходимо располагать мощностью около I л. с. на каждые 7 кг веса полностью нагруженного катера. Отсюда следует, что установочный вес главных двигателей не должен превышать 0,7—0,9 кг на I л. е., так как в противном случае веса, приходящиеся на долю топлива, вооружения и т. п., окажутся чрезмерно урезанными.

Поэтому становится очевидным, что суммарный вес запаса топлива и машинной установки является параметром первостепенной важности, особенно в тех случаях, когда корабль должен обладать еще и значительной дальностью плавания. Вместе с тем, необходимо учитывать, что для обеспечения высоких скоростей хода весьма важно, чтобы главные двигатели имели мвлын удельный вес, т. е. чтобы отношение мощности двигателей к их весу было бы достаточно большим.

Бензиновые двигатели. Малые корабли, применявшиеся во время второй мировой войны в английском и американском военно- морских флотах, обеспечивались бензиновыми двигателями, в большинстве случаев разработанными первоначально для авиации и затем приспособленными для работы в судовых условиях.

В настоящее время для этой цели фирмой «Ролльс-Ройс» выпускается двигатель «Гриффин» с максимальной мощностью 1500 л. е., весящий 1500 кг (см вкладку  XVIII).

Имеется также новый вариант двигателя «Изотга Фраскини» с непосредственным впрыском бензина (максимальная мощность также 1500 л. е., вес 1550 кг). Применение системы непосредственного впрыска бензина вместо карбюраторов позволило улучшить такой важный показатель работы двигателя, как удельный расход топлива, в особенности при работе двигателя на частичных нагрузках (см. вкладку  XIX).

Дизели. По-видимому, двигатель, работающий по циклу Дизеля и имеющий достаточную мощность, надежность и малый удельпый вес, наилучшим образом подошел бы для работы в корабельных условиях. Удельный расход топлива у этих двигателей в широком диапазоне изменения мощности остается в пределах 160—175 г/л.с.час. Испаряемость дизельного топлива относительно невелика и поэтому на кораблях с дизельными установками опасность возникновения пожаров меньше, чем на кораблях с бензиновыми двигателями. Как известно, высокая пожароопасность является одним из существенных недостатков, связанных с использованием бензиновых двигателей.

Недавно фирмой «Нэпир» был разработан интересный дизель с максимальной мощностью 2500 л. е., весящий вместе с реверсивной передачей 4770 кг, что позволит частично удовлетворить потребность в двигателях для быстроходных кораблей малого водоизмещения. Новый дизель двухтактный с противоположно движущимися поршнями и с тремя коленчатыми валами, расположенными по вершинам треугольника. Отсюда возникло наименование дизеля: «Нэпир Дельтик». Из рисунка (см.  XX) видно, что двигатель, снабженный реверсивной муфтой, весьма удобен для установки на корабле.

Дизель «Мерседес-Бенц» имеет мощность 25(Ю—3000 я. с. и весит около 5000 кг. Этот двигатель непосредственно реверсивный, в то время как двигатель «Нэиир Дельтик» имеет одностороннее вращение коленчатого вала и изменяет направление хода посредством реверсивной передачи, состояшей из шестерен и разобщи- тельной муфты-

Широкому использованию двигателей этого типа на таких классах кораблей, как быстроходные сторожевые катера и т. п., препятствует лишь их относительно высокий удельный вес, который, по-видимому, весьма трудно сделать менее 1,8 кг.'л.с. час.

Газовые турбины. В тех слу чаях, когда требуются установ ки большой мощности, но весьма малого веса, например, для гоночных судов или кораблей упомянутой выше 50-узловой категории, могут подойти газовые турбины, близкие по типу к тем, которые были разработаны в течение последних лет для авиации. На  90 показана газовая турбина «Метрополитен-Виккерс».

Подобно двигателям других типов, газовые турбины имеют свои недостатки, основным из которых является относительно высокий удельный расход топлива, на сегодняшний день (1954 г.) почти вдвое превышающий удельный расход топлива хорошо доведенного дизеля. Вместе с тем имеются соображения, указывающие на реальную возможность существенно снизить величину удельного расхода топлива газовых турбин.

Весьма распространенная в авиации компоновка турбовинтовых агрегатов сводится к объединению двух последовательно включенных осевых компрессоров, главной силовой турбины, связанной с салом отбора мощности и одним из осевых компрессоров, и отдельной свободной турбины, приводящей в действие второй компрессор.

Эти агрегаты (в рассмотренном выше виде) будут иметь весьма хорошие весовые показатели, но вместе с тем и относительно высо кий удельный расход топлива, в связи с чем можно заранее указать, что высокие значения скорости полного хода, которые смогут быть получены при использовании этих установок на быстроходных судах, будут достигаться за счет уменьшения дальности плавания на полных ходах.

 Сравнительно малый вес этих установок позволит разместить значительное количество дополнительного топлива, не превышая при этом веса главных машинных установок, получающегося при использовании двигателей других типов. Более того, разрабатываемые в настоящее время усовершенствования агрегатов с независимыми главными силовыми турбинами позволят в относительно недалеком будущем снизить величины удельного расхода топлива этих установок до 182 г/л. с. час и даже ниже.

На  93 показана схема установки, обеспечивающая получение более низких удельных расходов топлива. Фирма «Ролл ье- Ройс» сделала следующий шаг в этом направлении, разработав комбинированную установку, которой был присвоен индекс RM60.

На  94 и XXII (вкладка) показана общая компоновка этой установки RM60, в которой значительное снижение удельного расхода на номинальном режиме будет сопровождаться (что даже более важно) существенным улучшением экономичности установки при ее работе на частичных нагрузках. Это обстоятельство имеет огромное значение для общей фактической дальпости плавания боевых кораблей, которые бблмную часть проходимого пути преодолевают при загрузке главных двигателей всего лишь на — их полной мощности и даже меньше. При этом, конечно, установка получается несколько тяжелее простых газовых турбин, рассмотренных выше. Поэтому установки, выполненные по этой схеме, по-видимому, окажутся более приемлемыми для таких типов кораблей, как быстроходные сторожевики, чем для кораблей ударного типа.

Следует считать, что способность работать на широком диапазоне мощностей и чисел оборотов, свойственная установке с независимой главной турбиной, чрезвычайно важна, особенно для тех случаев, когда установка работает на винты постоянного шага.

При применении рассмотренных выше типов газовых турбин для работы в судовых условиях необходимо учитывать наличие некоторых ограничений, связанных с особенностями их устройства. В частности, вопросы реверсирования и маневрирования требуют отдельного решения. Вопрос удаления отработавших газов также представляет собой, по существу, достаточно сложную проблему. По возможности, следует избегать применения дымовой трубы, так как она занимает часть наиболее полезного участка палубы и, кроме того, представляет собой весьма приметную ми шень.

некоторые возможные варианты размещения будущих установок на корабле. Все эти варианты выполнены на базе одной и той же газотурбинной установки с независимой главной турбиной, но отличаются один от другого методами решения вопросов реверсирования и маневрирования.

Расположив вал отбора мощности турбины в сторону носа корабля и применив угловую или параллельную передачу, можно отвести отработавшие газы в корму и тем самым избежать установки дымовой трубы на палубе корабля. Одновременно, за счет отвода газов в корму можно получить некоторое увеличение упора, развиваемого установкой.

В варианте, представленном на схеме о, использована угловая понижающая передача к гребному валу. В подходящем для этого месте предусмотрено подключение к валопроводу вспомогательного дизеля относительно небольшой мощности, при помощи которого можно обеспечить маневрирование и движение малыми бесшумными ходами, т. е. осуществлять скрытый подход.

Во избежание превышевия предельно допустимых оборотов вспомогательного дизеля в случае пуска главной турбины при включенной муфте, соединяющей вспомогательный двигатель с гребным валом, должны быть предусмотрены необходимые меры защиты вспомогательного дизеля. В частности, можпо предусмотреть блокировку в системе подачи топлива к главной турбине.

В варианте в с целью избежать трудностей, связанных с изготовлением шестерен для угловой передачи, последняя заменена параллельной передачей, при которой оси турбинного и гребного валов оказываются расположенными параллельно. В этом варианте может быть использован любой из рассмотренных выше способов обеспечения маневрирования и малых ходов.

Во всех вариантах, предусматривающих использование вспомогательного двигателя, в качестве последнего вполне целесообразно применить электромотор, получающий питание от одной или нескольких дизель-генераторных установок, обслуживающих общекорабельные нужды.

Возможно, что скорость хода только под одним электромотором будет относительно небольшой и что мощность, которой можно будет располагать для манеирирования, окажется недостаточной для полного удовлетворения всех практических потребностей. Тем не менее, варианты с использованием электромотора заслуживают подробного рассмотрения и анализа.

Из изложенного следует, что основной проблемой, возникающей при использовании газовых турбин большой мощности в качестве судовых силовых установок, является проблема реверсирования. Некоторый теоретический интерес представляет реверенвно-редук- торная передача, схема которой показана на рис 96. Эта передача предназначается для использования в установках мощностью не менее 10000 л. с. и была спроектирована научно-исследовательским центром «Паметрада» под руководством доктора Брауна.

Реверсирование может быть также обеспечено путем применения виита регулируемого шага.

Турбопоршневые двигатели. Все рассмотренные нами типы двигателей имеют определенные недостатки, затрудняющие использование их в качестве главных двигателей на быстроходных кораблях, где требуется большая мощность при малом весе.

Бензиновый двигатель обладает требуемой мощностью и достаточно легок, но работает на весьма легко испаряющемся топливе.

Дизель относится к наиболее тяжелой категории быстроходных двигателей- Газовая трубина позволяет получить необходимые мощности при вполне удовлетворительных весовых показателях, но имеет слишком высокий удельный расход топлива.

В докладе «Турбонортневые двигатели для авиации», сделанном главным инженером отделения поршневых двигателей фирмы «Нэпир» Чаттертоном на собрании Королевского Общества воздухоплавания в апреле 1954 г , весьма рекомендуется турбодизельный двигатель, который, судя по всем данным, вполне пригоден для использования в судовых условиях. В докладе рассмотрен ряд вопросов, представляющих большой интерес.

Если рассмотреть термодинамические циклы разобранных выше типов двигателей, то мы обнаружим, что в бензиновом двигателе используется почти весь поступающий в него воздух. Поэтому •мощность, которая может быть снита с бензинового двигателя, зависит, главным образом, от количества воздуха, которое может быть в него подано за единицу времени. Из диаграммы теоретического цикла, построенной в координатах PV ( 97, Л .видно, что сгорание в бензиновом двигателе происходит при постоянном объеме, причем максимальная температура рабочего тела достигает 2500° С. Термический КПД цикла определяется, главным образом, величиной степени сжатия V/v, которая, в свою очередь, ограничивается явлением детонации рабочей смеси. Весьма существенное увеличение мощности поршневых бензиновых двигателей, достигнутое во время и после второй мировой войны, оказалось возможным только с впедрепием таких мероприятий, как охлаждение рабочей смеси, впрыск воды и метилового спирта, а также применение специальных видов топлива.

Эффективные показатели двигателей с воспламенением от сжатия (дизелей) определяются количеством полезно используемого воздуха. В связи с тем, что процесс смесеобразования в дизелях может занимать не более 40° по углу поворота коленчатого вала, используется всего лишь около 80 "и воздуха, поступившего в камеру сгорания. В двухтактных двигателях, кроме того, имеют место дополнительные потери воздуха на продувку цилиндра.

На диаграмме II, построенной в координатах PV, видно, что в дизеле процесс сгорания происходит частично при постоянном объеме и частично при постоянном давлении. В дизелях явление детонации не накладывает каких-либо ограничений на величину степени сжатия, давления при сгорании достигают больших значений, что, приводит к утяжелению конструкции двигателя.

В турбинах внутреннего сгорания, используемых для вращения винтов, процесс сгорания происходит при постоянном давлении. Так как турбинные лопатки могут выдерживать высокие температуры порядка 2500° С, получающиеся при сгорании в поршневых двигателях, в камеру сгорания турбины необходимо подавать значительно большее количество воздуха, чем это необходимо для обеспечения сгорания подаваемого топлива.

Избыточная мощность на валу турбины, получаемая сверх затрачиваемой на вращение осевого компрессора, может быть передана на отдельный вал отбора мощности, либо при помощи соответствующей зубчатой передачи на коленчатый вал двигателя.

Небольшие перемещения линии ABC не сказываются на величине степени сжатия поршневого двигателя, но приводят к заметному перераспределению мощности между поршневым двигателем и турбиной, что, в свою очередь, оказывает большое влияние на второстепенные показатели турбопоршневого двигателя в целом.

Конструкция турбопоршневого двигателя в целом определяется величиной давлепия при сгорании в циливдре поршневого двигателя и температурой рабочего тела на входе в турбину. Путем подбора расхода воздуха и формы органов газораспределения можно обеспечить подачу избыточного количества воздуха в цилиндры поршневого двигателя, что позволят снизить температуру выпускных газов. При этом точка С индикаторной диаграммы турбопоршневого двигателя переместится в точку F. Новому расположению границы DEF будет соответствовать новое распределение работы между поршневой и т\ рбиниой частями двигателя. При этом в связи с повышением давления наддува увеличивается подача воздуха в цилиндр двигателя, что позволяет увеличить количество сжигаемого топлива. В результате происходит повышение среднего эффективного

давления, на что указывает более высокое расположение линии расширения, проведенной пупктиром.

Очевидно, что снижение весовых показателей дизелей может быть достигнуто только при условии внедрения онисанных выше способов увеличения цилиндровой мощности.

Благодаря охлаждающему эффекту подачи избыточного воз духа можно увеличить количество сжигаемого топлива и, одновременио, количество тепловой энергии, поступающей вместе с горячими выпускными газами на лопатки турбины.

Можно утверждать, что удельный вес турбопоршневого двигателя, сходного по своему устройству с двигателем «Номад», но приспособленного для работы в судовых условиях, не будет превышать 1,1 кг!л. е., в то время как удельный вес лучших быстроходных дизелей не бывает менее 1,9 кг!л. с.

Возможны различные варианты сочетания поршневой машины с газовой турбиной. На  99 показан один из наиболее присыле мых вариантов такого компаундирования.

Следует нризнать, что возможность получения мощных устаповок с малым удельным весом и низким удельным расходом топлива, заложенная в турбопоршневых двигателях, весьма привлекательна. Для получения наилучших показателей работы такого двигателя на корабле желательно, по-видимому, использовать винт регулируемого шага или другое эквивалентное устройство, позволяющее совмещать характеристику двигателя с кривой сопротивления корпуса корабля, сохраняя оптимальные числа оборотов двигателя.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ КНИГИ:  БЫСТРОХОДНЫЕ КАТЕРА

 

Смотрите также:

 

Карбюраторные и дизельные двигатели

Карбюраторные двигатели устанавливают, главным образом, на автомобилях малой и средней грузоподъемности, а также на тракторах для пуска основных двигателей. Дизели отличаются от карбюраторных двигателей тем...

 

Система питания дизельного двигателя. Системы питания двигателей

4. Система питания дизельного двигателя. Дизельное топливо представляет смесь керосиновых, газойлевых и
Дизельное топливо выпускается разных сортов: ДЛ — летнее, ДЗ — зимнее и ДА — арктическое, отличаются эти топлива друг от друга главным образом...

 

КАРБЮРАТОРНЫЕ И ДИЗЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Диагностирование...

Рабочее место 2. Средства для диагностирования системы питания дизельных двигателей. Цель работы.
проверки технического состояния плунжерных пар и нагнетательных клапанов топливных насосов дизелей.

 

ДВИГАТЕЛЬ Д-21 - двухцилиндровый четырехтактный дизельный...

Открытие Рудольфа Дизеля. Двигатель работающий на бензине ... Дизельный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания с
В этом и заключается главное назначение трактора: он или тащит на себе различные ... bibliotekar.ru/enc-Tehnika-3/50.htm.

 

Открытие Рудольфа Дизеля. Двигатель работающий на бензине....

В 1897 г. Дизель продемонстрировал двигатель мощностью 25 л.с. Высокоэффективный и экономичный двигатель заинтересовал
Главное отличие в работе бензинового и дизельного двигателей состоит в том, что в последнем в цилиндр засасывается не горючая смесь, а воздух.

 

ТО техническое обслуживание системы питания дизельного двигателя

Мощность двигателя снижается из-за недостатка в подаче топлива и неправильной регулировки насоса.
Основные работы, выполняемые при техническом обслуживании системы питания дизельного двигателя. ЕО.

 

Двигатели

В двигателях внутреннего сгорания, так же как и в паровой машине, главная часть — цилиндр с поршнем.
Двигатели внутреннего сгорания, работающие на нефти и другом «тяжелом» топливе, называются дизельными двигателями или просто дизелями (см. Двигатель...

 

Поршневые двигатели внутреннего сгорания ДВС

Однако дизельные двигатели находят все большее применение даже на легковых автомобилях. Главными их преимуществами являются меньший (примерно на 30%), чем в карбюраторных двигателях, расход топлива...

 

Электрический двигатель. Трехфазные двигатели асинхронные

Паровая турбина становится двигателем электрогенераторов и крупных морских судов, дизельдвигателем локомотивов, судов, тракторов, экскаваторов; в автомобилях
В многочисленных рабочих и технологических машинах главным становится электрический двигатель.