Произвести расчет цикла судового двухтактного дизеля с газотурбинным наддувом, с контурной, односторонней петлевой системой продувки и определить его основные раз­меры по данным: эффективная мощность двигателя N_е = 3240 л. с., ско­рость вращения вала двигателя п = 120 об/мин; число цилиндров z = 6. Сорт топлива — моторное марки ДТ-3 следующего состава: С = 86,2% ; Н = 12,8% и О = 1,0% .

Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива принятого состава, определяется по формуле (44):

Принимая коэффициент избытка воздуха при сгорании на номинальном режиме работы двигателя с однокамерным смесеобразованием равным ? = 2, будем иметь действительное количество воздуха на 1 кг топлива:

Рассчитываемый двигатель простого действия, а потому диаметр ци­линдра его определим по формуле (182):

Принимаем D = 650 мм; ход поршня S = тD — 1,7·650 = 1100 мм. Средняя скорость поршня

Для дальнейших расчетов принимаем:

давление и температура наружного воздуха р₀ = 1,0 кГ/см², Т₀ = 305° К;

давление продувочно-наддувочного воздуха р_к = 1,45 кГ/см²; степень сжатия воздуха в рабочем цилиндре двигателя ? = 12;

коэффициент остаточных газов для рассчитываемой системы продувки на основании опытных данных ?_r = 0,10;

среднее значение показателя политропы сжатия п₁ = 1,36; с

среднее значение показателя политропы расширения п₂ = 1,25.

Система наддува принимается последовательно-параллельной.

На рис. 112 показана схема цилиндра двигателя с названной системой наддува. При номинальном режиме работы двигателя наддувочный воздух, нагнетаемый газотурбовоздуходувкой 4, достигая давления р_к, открывает клапан 5 и непосредственно поступает из первой ступени ресивера 6 во вторую 9 и через продувочные окна в рабочий цилиндр. В этом случае под­поршневые полости 7 работают вхолостую.

Следовательно, при номинальном режиме работы двигателя осущест­вляется непосредственно газотурбинный наддув.

На долевых нагрузках двигателя (малые ходы) воздух, нагнетаемый газотурбовоздуходувкой, не достигает давления р_к и потому клапан 5 авто­матически закрывается, а воздух в период движения рабочего поршня 8 вверх поступает в подпоршневое пространство 7. Воздух после турбонагнетателя охлаждается в холодильнике 3.

При обратном движении поршня (при движении вниз) воздух сжимается до давления р_к и нагнетается в воздушный ресивер 9.

В этом случае будет осуществляться последовательная система наддува. Треть подпоршневых полостей 2 двигателя работает параллельно с газо- турбонагнетателем, засасывая воздух из окружающей атмосферы непо­средственно через клапан 1 в подпоршневое пространство рабочего цилиндра нагнетать его в ресивер 9.

Таким образом, подпоршневое пространство, кроме указанного, исполь­зуется еще как аварийный наддувочный насос, обеспечивая развитие мощ­ности двигателя около 70% от номинальной. Давление воздуха в начале сжатия

где ?p₁ — величина падения давления воздуха вследствие сопротивления в проходных сечениях нагнетательных клапанов воздушного ресивера (при­нята равной ?p₁ = 0,1 amа).

Давление газов перед турбиной

где ?р — величина падения давления газов вследствие сопротивления трак­та от выпускного коллектора до турбины.

Температура воздуха по выходе из газотурбовоздуходувки определяется по формуле (98):

где п_к — показатель политропы сжатия для центробежного нагнетателя принят равным п_к = 1,8.

Воздух по выходе из нагнетателя поступает в холодильник, где его температура понижается на величину, которую принимаем равной ?Т = 40°, а потому Т_k = 328° К.

Температура воздуха в начале сжатия определится по формуле (13 а):

Принимаем сумму высоты продувочных окон, высоты простенка между рядами окон и высоты выпускных окон в долях от хода поршня равной ?  = 0,20:

Коэффициент наполнения цилиндра, отнесенный к полезному объему цилиндра, определяется по формуле (16а):

Коэффициент наполнения, отнесенный к рабочему объему цилиндра, согласно формуле (99), будет равен

Температуру в конце сгорания определим из уравнения сгорания формула (71):

На диаграмме Брикса получаем угол поворота мотыля, соответствую­щий полному периоду выпуска ?₁ = 120° и периоду продувки  ?₂ = 80°.

При принятой высоте простенка между рядами окон F­₁ на диаграмме не­сколько больше (2,1 см²).

Продолжительность открытия продувочных окон

Весовое количество продуктов сгорания, остающееся в цилиндре после свободного выпуска,

Весовое количество смеси, вытекающее из цилиндра за период при­нужденного выпуска,

Температура газов в цилиндре в конце свободного выпуска

Средняя температура газов в цилиндре в период принужденного вы­пуска определяется по формуле (124):

На диаграмме (см. рис. 114) площадь F₃ с учетом перекрытия выпуск­ного тракта золотником после окончания продувки (пунктирная линия) равна 12,25 см², а следовательно «время-сечение» принужденного выпуска будет равно:

Принимаем суммарную ширину продувочных окон s₂ = 8·150 = 1200 мм (8 окон шириной каждое 150 мм).

Масштабы диаграммы открытия продувочных окон:

по оси ординат:

1 см диаграммы выражает l·s₂ sin?₂ т= 1 · 120 · sin 75° · 5 = 580 см² площади открытия окон;

по оси абсцисс:

1 см диаграммы выражает 0,01386 сек; 1 см² площади открытия проду­вочных окон выражает 0,01386·580 = 7,99 см² сек.

Из диаграммы находим площадь F₂ = 10,4 см², соответствующее рас­полагаемое «время-сечение» продувки F₂ = 10,4·7,99 = 83,2 см²·сек.

Таким образом, располагаемое «время-сечение» продувки при выбран­ных размерах окон и давлении продувочно-наддувочного воздуха несколько больше, чем необходимое (F₂ = 82 см²·сек), а следовательно, расчет продувки и выпуска показывает, что принятые размеры окон являются правильными.

Условная средняя скорость свободного выпуска

Определим возможность осуществления газотурбинного наддува при номинальном режиме работы двигателя.

Секундный расход воздуха

Двигатель будет иметь две газовые турбины, каждая из них работает на отработавших газах трех цилиндров.

Давление газов перед турбиной

Следует заметить, что расчет мощности газовой турбины выполнен в предположении, что давление газов перед турбиной остается постоянным; на самом деле при коротком выпускном тракте (что имеет место в рассма­триваемом примере) давление изменяется. Использование кинетической энергии газов, выходящих из цилиндров двигателя, позволит турбине раз­вить еще большую мощность.

Таким образом, расчет показывает возможность осуществления газо­турбинного наддува рассчитываемого двигателя при работе на номинальном режиме.