Судовые поршневые двигатели внешнего сгорания (двигатели Стирлинга)

Рис. 31. Содержание окиси углерода и окислов азота в выпускных  газах двигателя 4-615 при различных нагрузках.

с

окислов азота в выпускных газах  ДВПТ по сравнению с газовой турбиной меньше в 7—10 раз, содержание окиси углерода — в 20—40 раз, а углеводородов — в 8 раз.

Л/_е,%

На рис. 31 приведена зависимость содержания окиси углерода и окислов азота в выпускных газах от нагрузки для двигателя 4-615, а на рис. 32 — зависимость содержания токсичных компонентов в выпускных газах от крутящего момента и частоты вращения вала двигателя МАН/МВМ 1-400.

М_Кр,кгс-м

мкр,кгс-м

1500 n^f/мин

Рис. 32. Массовое содержание токсичных компонентов в выпускных газах двигателя 1-400 в зависимости от крутящего момента и частоты вращения.

 

График зависимости содержания NO и СО в выпускных газах от коэффициента избытка воздуха а (рис. 33) показывает, 
что наименьшее массовое содержание токсичных компонентов обеспечивается при а= 1,5-f-1,8. При больших значениях а повышение скоростей" газа приводит к возрастанию гидравлических потерь и снижению к. п. д., что, в свою очередь, обусловливает рост массового содержания токсичных компонентов.

К преимуществам ДВПТ относится также отсутствие дымления при работе двигателя на всех режимах от холостого хода до полной мощности при коэффициенте избытка воздуха а=1,3-г- Н-1,7. Дым белого цвета может появляться только во время запуска при температуре воздуха на входе в камеру сгорания ниже 330° С и коэффициенте избытка воздуха а>2,5. Поскольку воздух перед камерой сгорания нагревается до температуры выше 600° С на всех рабочих режимах, дымление практически исключено.

Особо следует отметить отсутствие выделения сажи и продуктов неполного сгорания топлива в выпускных газах двигателя Стирлинга на переходных режимах, в частности, при на- бросе нагрузки, что объясняется принятой системой регулирования нагрузки (см. § 11).

§ 15

Уровни вибрации и шума

Одним из наиболее благоприятных свойств  двигателя Стирлинга является его малошумность. Уровни воздушного шума и вибрации во' всем диапазоне частот оказываются на 15—20 дБ ниже по сравнению с дизелями того же класса (рис. 34).

Низкий уровень шума объясняется  несколькими причинами. Главная из них — непрерывный процесс горения топлива при невысоком избыточном давлении. Давление выпускных газов, проходящих через трубные пучки нагревателя и экономайзер, постепенно уменьшается до атмосферного. Тем самым исключается волна давления на выпуске, характерная для двигателей внутреннего сгорания и создающая шум.

г/кВт-ч				/
\ -t34			/	'/ / /
-1		N0	/у
-0,5		40

1Л 1,6 1.8 2,0 a

Рис. 33. Зависимость содержания СО и N0 в выпускных газах от коэффициента избытка воздуха при сгорании.

Турбулентность газов, связанная  с организацией непрерывного горения, также может явиться причиной шума, но она в какой-то мере демпфируется при проходе газов через трубные пучки нагревателя и экономайзер. 
 

Хорошим виброшумовым показателям  способствует очень плавное, практически  синусоидальное изменение давления рабочего газа в цикле. В противоположность дизелю, где быстрое нарастание давления в цилиндре при сгорании обусловливает повышенные уровни вибрации и шума машины, синусоидальное изменение давления в двигателе Стирлинга обеспечивает постепенное нарастание динамических усилий. Кроме того, в двигателе Стирлинга, в отличие от двигателей внутреннего сгорания, отсутствуют какие-либо клапаны и топливный насос высокого

L,d6 140

					/	\
			д	/
			г	!
		J									>
				Л
	д	"1 L	V/ / / /					г	—	■х	Л
		<	•						Г ■■		V 1 II;;

130 120 по 100; 90 80 /0

Рнс. 34. Сравнение уровнен вибрации и воздушного шума двигателя внешнего сгорания (2) н дизеля (/) при равной мощности и частоте вращения.

 

-вибрация (*о=ЫО~^в см/с²); душный шум (ро=2-Ю-

давления, вносящие значительный вклад  в общий уровень шума дизелей  и бензиновых двигателей.

По экспериментальным данным, основными  составляющими общего уровня шума в  двигателях Стирлинга являются шум  вентилятора, шум сгорания и шум  вспомогательных механизмов. У двигателей вытесняющего типа, имеющих ромбическую передачу, источником шума являются также синхронизирующие шестерни, передающие на выходной вал крутящий момент двигателя.

Н/м^а).

На рис. 35 приведены зависимости  уровня воздушного шума двигателя 4-615 от частоты вращения и нагрузки (ширина полосы анализа—'/з октавы). Как видно из спектрограмм, нагрузка практически не оказывает влияния на уровень шума во всем диапазоне частот. Так, изменение крутящего момента двигателя 4-615 в 2 раза (соответствующее изменению среднего

Давления цикла от 40 до 80 кгс/см²) при постоянной частоте вращения привело к увеличению уровней воздушного шума в отдельных частотных полосах не более чем на 2—3 дБ. Влияние изменения частоты вращения значительно заметнее. Увеличение частоты вращения двигателя от 1400 до 1850 об/мин, т. е. на 32%, при сохранении постоянного среднего давления цикла

а)

			V ^	А V*
	v/					«		*

100 90

во

70 ВО 60

 

*)

L,d5 100\

		ГУ	''Л	7~ч	- "1 '		,1
	\ ^					У
								>

90 80 70 60 50

63 125 250 500 1000 '2000 4000 дООО f, Гц

Рис. 35. Зависимость уровня воздушного шума двигателя 4-615 (на расстоянии I м): а — от нагрузки при «=2100 об/мин; (I—р_т = =80 кгс/см²; 2 — р_т=40 кгс/см²); б — от частоты вращения при Рт=80 кгс/см² (/—«=1850 об/мин; 2—«=1400 об/мин).

 

80 кгс/см² вызвало повышение уровня воздушного шума во всем диапазоне частот, причем на частотах свыше 1000 Гц это изменение достигает 8—10 дБ. Наибольшие пики спектрограммы соответствуют зубцовой частоте синхронизирующих шестерен (1000 Гц) и шуму сгорания (300 Гц).

Проведение специальных мероприятий  позволяет получать двигатель с  уровнями шума, удовлетворяющими самым  высоким требованиям.

49

Фирмой GMC создан двигатель GPU-3 мощностью 3 кВт для привода передвижной армейской электростанции. С целью

4 Заказ № 252обесшумливания в ромбическом приводе были применены нейлоновые шестерни, а также приняты дополнительные меры по снижению шума вентилятора радиатора. Уровень шума, измеренный на расстоянии 30 м от двигателя, был меньше уровня шума стандартной армейской электростанции с бензиновым двигателем воздушного охлаждения в среднем на 21 дБ, т. е. более чем в 10 раз.

L,dB 80

 

1		г
			1

70

Рис. 36. Схема точек измерения  и общие уровни шума на катере с двигателем Стирлиига при разных скоростях.

 

Для проверки уровней шума, создаваемого двигателями Стирлинга в судовых  условиях, были проведены испытания  катера длиной 10 м из стеклопластика, на котором установлен четырехцилиндровый двигатель 4X235 вытесняющего типа мощностью 73,6 кВт. Скорость катера при частоте вращения двигателя 2200 об/мин составляла 11 уз. Схема точек измерения и общие уровни шума приведены на рис. 36.

60

Третьоктавный анализ показал, что  наибольшие уровни шума определяются зубцовой частотой редуктора и лопастной частотой винта. 

Г л а в А

IV

СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ  С ДВИГАТЕЛЯМИ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ

§ 16

Установки малых катеров

Малые катера с двигателями мощностью  до 150 кВт — одна из наиболее перспективных областей применения двигателя Стирлинга, поскольку эти суда должны быть обеспечены конвертированными двигателями, интенсивно разрабатываемыми для городского транспорта. Отсутствие сильного шума и вибрации, чистый и довольно холодный выпуск, нетребовательность к сорту топлива, умеренные массогабаритные характеристики,— все эти качества делают двигатель Стирлинга весьма эффективным для установки на небольших судах.

Зарубежные фирмы ведут отработку  судовых двигателей и проверку их в реальных эксплуатационных условиях. Так, фирма Юнайтед Стерлинг установила двигатель мощностью 7,36 кВт на серийно выпускаемом катере типа «Альбин-21» длиной 6,3 м, обеспечив ход катера со скоростью 7 уз. Двигатель представляет собой одноцилиндровую модель с ромбическим приводом. Он установлен в корме и снабжен реверсредуктором. Уровень шума, измеренный на расстоянии 1 м от двигателя, работающего на полной нагрузке без какого-либо глушителя, составляет 68 дБ, что на 20 дБ меньше, чем.у обычных шлюпочных двигателей.

Отработка двигателя применительно к судовым условиям (повышенная влажность воздуха, забрызгивание, качка) проводилась фирмой Юнайтед Стирлинг также на дефорсированном до 73,6 кВт двигателе 4-235. Двигатель был установлен на крейсерском катере «Аполлон-32» длиной 10 м и работал на винт через реверсредуктор [16, 35]. Испытания также показали малые уровни шума и вибрации.

Данные по общим уровням шума в различных точках катера представлены на рис. 36.

51

Аналогичные испытания двигателя  мощностью 73,6 кВт проведены на катере «Стирлинг Силенсиа» датской постройки. Катер развил скорость 13 уз, работа двигателя оказалась надежной.

4* 
 

Можно полагать, что при серийном Выпуске двигатели Стирлинга вытеснят двигатели внутреннего сгорания на малых судах в диапазоне мощности от 3 до 150 кВт.

§ 17

Зарубежные установки подводного хода с использованием углеводородного  топлива и кислорода

Совместными усилиями фирм Юнайтед  Стирлинг, Форенаде фабриксверкен и  Кокумс Меканиска Веркстадс по заказу ВМС Швеции разработана энергетическая установка с двигателем Стирлинга для подводной лодки [39, 42]. Установка обеспечивает подводный ход за счет теплоты, получаемой при сжигании дизельного топлива в кислороде окислителя.

Разработаны два варианта энергетической установки, различающихся типом окислителя. Оба окислителя (перекись водорода и жидкий кислород) хорошо известны из опыта обращения с ранее реализованными подводными лодками. Каждый имеет свои преимущества и недостатки, так что конкретный выбор зависит от результатов анализа большого количества проектных факторов и от назначения подводного аппарата.

Следует учесть, что перекись водорода по сравнению с жидким кислородом более дорога, и расход ее на окисление топлива приблизительно в 2 раза выше. Однако у нее есть ряд неоспоримых преимуществ. Во-первых, она может храниться при температуре окружающей среды, и, таким образом, размещать ее можно вне прочного корпуса в эластичных емкостях. Это позволяет свести к минимуму объем балластных цистерн при регулировании плавучести в случае сброса продуктов сгорания за борт. Во-вторых, исключается забота о холодильной установке или необходимость стравливания испарившегося кислорода при длительном бездействии установки.

Фирма Юнайтед Стирлинг решила более  полно разрабатывать вариант с перекисью водорода, а для варианта с жидким кислородом ограничиться проработкой.

Принципиальная схема энергетической установки с двигателем Стирлинга, где в качестве окислителя используется перекись водорода, приведена на рис. 37.