«ПРИМЕНЕНИЕ
ПАРОГАЗОГЕНЕРАТОРА НА БАЗЕ ДВИГАТЕЛЯ ВАЗ-2103 ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ОДНОЦИЛИНДРОВОГО
ОТСЕКА ПАРОПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ И РАБОТА ПАРОГАЗОГЕНЕРАТОРА В РЕЖИМЕ ГОРЕЛКИ
ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА ПРЯМОТОЧНОГО КОТЛА ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ГОРЕНИЯ
РАБОТАЮЩЕГО ПОД НАДДУВОМ».
Дубинин В.С., Лаврухин К.М., Першин Л.И., Титов Д.П.
МАИ (ГТУ), Факультет довузовской подготовки, Научная группа «Промтеплоэнергетика», Российская Федерация.
Работы в данном направлении, проводимые совместно с ЗАО «ЛЕССА», были спровоцированы тем, что в сложившихся обстоятельствах научная группа МАИ «Промтеплоэнергетика» осталось не только без пара, но и без сжатого воздуха. Ввиду дороговизны и сложности организации работы серийных малогабаритных паровых котлов подлежащих учёту в органах котлонадзора, а так же невозможности по этой причине создания котла собственного изготовления и высокой стоимости воздушных компрессоров, решили начать работать над поршневым парогазогенератором.
Работу с поршневым парогазогенератором начали ещё и для создания опытного и материального задела для работы над импульсным компрессором горелки котла вибрационного горения для локомобиля, работающего на отходах древесины, о котором будет сказано ниже.
Базой для такого парогазогенератора стали двигатели семейства автомобилей ВАЗ-2101 – 2107, ввиду их широкого распространения, а вследствие этого доступности и дешевизны.
Созданная установка представляла собой двигатель ВАЗ-2103 с коробкой скоростей, установленный на раме. К коробке скоростей через эластичную муфту присоединен электродвигатель, для обеспечения запуска, а так же для подкрутки парогазогенератора на определённых режимах работы и работы автомобильного двигателя в компрессорном режиме. Организован подвод воды для охлаждения цилиндров. Двигатель оснащён наряду со штатным карбюратором системой подачи дополнительного топлива и воды. Осуществляется изменение угла опережения зажигания на ходу специальной вакуумной системой. Выхлопной патрубок, в который так же подводится вода, может соединяться с соплом различного диаметра, с испытуемым паропоршневым двигателем, с атмосферой. Установка оснащена измерительными приборами и индикаторами, которые позволяют контролировать работу и снимать величины интересующих параметров при работе установки.
Первоначально эксперименты проводились с двигателем ВАЗ-2101, топливоподача осуществлялась через штатный карбюратор, впрыск воды осуществлялся только в выхлопной патрубок, для приближения свойств производимого газа к свойствам пара и получения дополнительного расхода за счёт испарения воды. Суммарная наработка парогазогенератора составляла около 30 минут, время непрерывной работы составляло от 1 до 5 минут.
В результате было получено давление 2,5 манометрических атмосферы при работе на два сопла диаметром 6 мм. каждое. При этом выхлопной патрубок раскалялся до бело-красного каления, что совершенно недопустимо при длительной работе двигателя из-за большой вероятности обгорания выхлопных клапанов.
В дальнейшем были предприняты попытки изменения фаз газораспределения, настолько насколько позволяли серийно выпускаемые детали газораспределительного механизма, чтобы не произошёл удар клапанов о дно поршня. При этом двигатель запускался вручную от рукоятки (электродвигателя в установке ещё не было) и устойчиво работал. Результатов получить не удалось, в одном из запусков оторвалась и разрушилась юбка поршня, сломался шатун, кусок шатуна пробил картер, при этом дно поршня ударилось о выпускной клапан и погнуло его. Предполагаемая причиной аварии может быть перегрев поршня с залипшими кольцами при бело-красном выхлопном патрубке, и ветхость двигателя (двигатель был старый, после пожара).
Дальнейшая работа проводилась с двигателем ВАЗ-2103. Все эксперименты производились при заводских фазах газораспределения. С учётом опыта полученного при испытаниях ВАЗ-2101, осуществлялась подача воды и дополнительного топлива. При простой подаче воды во впускной коллектор за счёт разрежения в этом коллекторе двигатель начинает не устойчиво работать при 10% воды по отношению к карбюраторному бензину. Из источников известно, что можно подать воды до 30%. Так в [1] говорится, что впрыск воды до 25% от расхода ещё не сказывается отрицательно на процесс сгорания, а в [2] утверждают, что добавка до 10% воды, независимо от способа подачи, не снижает мощности. В своё время старые тракторные двигатели с искровым зажиганием СХТЗ работали на смеси керосина с 35-60% воды [3]. Нами была разработана система подачи воды и дополнительного бензина для обогащения смеси до α=0,8-0,5, (стандартная регулировка α=1,1-1,15). Установлено, что двигатель работает при подаче 24 литров воды на 16 литров бензина в час и суммарном α=0,9. В результате обогащения смеси и подачи в двигатель воды удалось понизить температуру получаемого парогаза (выхлопной патрубок чёрный). При выхлопном патрубке тёмно-вишнёвого цвета на валу была положительная мощность. При таких испытаниях было получено 3 манометрических атмосферы при истечении парогаза через сопло диаметром 10 мм. при суммарном α около 0,8 и количестве воды 10-14 литров в час.
По результатам проделанной работы можно сделать вывод, о том, что бензиновый двигатель допускает использование в режиме парогазогенератора, при этом подача воды на впуске должна осуществляться через специальную систему.
Такие парогазогенераторы на базе бензиновых и дизельных двигателей после соответствующей отладки рабочего процесса могут найти широкое применение в народном хозяйстве. Например в качестве источника горячего газа в путевом хозяйстве на железных дорогах, источника давления при вытеснительной подаче горючих жидкостей, так как выхлопные газы в отличие от воздуха не способствуют началу и подержанию горения. Также возможно создание на базе газовых поршневых двигателей ТЭЦ использующей принцип частичного окисления газа в двигателе, что позволит в несколько раз увеличить мощность исходного дизельного двигателя, аналогично тому, как это реализуется при создании ТЭЦ на базе ГТУ [4]. Однако надо отметить, что результаты будут значительно выше, чем у ГТУ ввиду того, что процесс в ГТУ происходит со сгоранием при постоянном давлении, а в поршневом двигателе – при постоянном объёме. Преимущества рабочего процесса при постоянном объёме известны. Следует отметить, что при ступенчатом сжигании газа (сначала в ДВС, а затем в топке котла) значительно уменьшается эмиссия окислов азота. Эксперименты с парогазогенератором показали, что существует возможность создания дожимного компрессора для ГТУ не потребляющего механическую мощность. Что позволит создать автономную ТЭЦ с ГТУ, который не будет зависеть от внешних источников электроэнергии ни при запуске, ни при работе. При этом в связи со ступенчатым сжиганием газа (сначала ДВС, затем ГТУ), как и в ТЭЦ с ДВС, рассмотренных раньше практически исключается эмиссия окислов азота.
Что касается ближайших перспектив дальнейшей работы, то они будут направлены на уход от заводских фаз газораспределения, путём замены распределительного вала и поиск наиболее оптимальных фаз газораспределения. При этом планируется опробовать работу, как по четырехтактному, так и по двухтактному, как в двигателе Ленуара, циклах работы.
Проделанная работа так же показала, что автомобильный двигатель может использоваться как импульсный компрессор горелки вибрационного горения для испытаний поверхностей нагрева прямоточного котла локомобиля работающего под наддувом. Варианты исполнения такого компрессора (все цилиндры двухтактные, либо три – двухтактные, а один – четырёхтактный) будут прорабатываться с точки зрения конструктивной простоты, эффективности и надёжности работы, и прочих комплексных критериев.
Об актуальности такого локомобиля можно сказать следующее. До середины прошлого века в сельском хозяйстве и леспромхозах широко применялись локомобили [5, 6]. Это устройство представляет собой паровую машину, смонтированную на паровом котле, которая может приводить электрогенератор или другие агрегаты. Такой локомобиль имел колеса, что позволяло его транспортировать как прицеп. Главным преимуществом локомобиля была его работа на местном топливе: солома, отходы древесины, торф. В связи с полной электрификацией и низкой стоимостью электроэнергии и дизтоплива в бывшем СССР локомобили перестали применяться и выпускаться. Сейчас во многих сельхозпредприятиях России из-за отключения электричества коров доят трактором, приводя от вала отбора мощности доильный вакуум насос. В леспромхозах работают дизельгенераторы, дизельное топливо для которых дорого с учетом его перевозки, а древесные отходы гниют на делянках. Поэтому локомобиль вновь стал актуален. Его недостатком является громоздкость и необходимость регистрации котла в органах котлонадзора. Низкое давление (до 15 кг/см2) в котле и отсутствие теплоизоляции приводит к большому расходу топлива, что увеличивает затраты по его сбору. Эти недостатки обусловлены тем, что в классических локомобилях использована технология 19 века (клепанный котел, низкооборотная паровая машина, 120 об/мин для работы которой с современным электрогенератором 1500-3000 об/мин нужен мультипликатор.) Поэтому мы считаем нецелесообразным попытки восстановить производство таких локомобилей в 21 веке.
Требуется разработать такой локомобиль с учётом современного состояния техники, чтобы он имел высокие эксплуатационные характеристики.
В МАИ работы над легкими высокооборотными паровыми машинами и паровыми котлами началось в 30-е годы
прошлого века, применительно к созданию паросиловой установки самолета. Экспериментальный образец испытывался как
паросиловая установка катера [7]. Работы прервались в связи с гибелью
сотрудников этой научной группы в 19-й дивизии народного ополчения г. Москвы. С
конца 60-х годов прошлого века в МАИ начались работы по паровым машинам,
работающим на пороховых газах для бортовой энергетики летательных аппаратов [8,
9, 10]. В начале 90-х годов прошлого века в МАИ возобновились работы по
паросиловой установке самолета в связи с потерей силы постановления ЦК КПСС
1955 г., запрещавшего такие работы, они велись в рамках курсового и дипломного
проектирования. Опираясь на эти работы и работы научной группы МАИ
«Промтеплоэнергетика» в области паровых машин для котельных, стало возможным
создать высокооборотную паровую машину на высокие параметры пара с высоким КПД
(25% и более). В целях снижения стоимости такая паровая машина может быть
создана на базе устаревших нижнеклапанных бензиновых двигателей внутреннего
сгорания (ДВС). Подтверждающие это эксперименты на сжатом воздухе в 1997-98
годах и паре в октябре 2004 года были проведены с конверсированным в паровую
машину ДВС УД-2М. При этом был изменен только распредвал и головки цилиндров.
В настоящее
время проектируется прямоточный паровой котел, не подлежащий учету в органах
котлонадзора согласно последней редакции [11]
в связи с объемом парового пространства менее 1 литра и произведением
давления на объем менее 20 л
кг/см2.
Максимальное давление в этом котле 60 кг/см2, а площадь обогреваемой поверхности около 0,2
м2. При обычных топках котлов плотность теплового потока 0,3-0,4
МВт/м2 [12], то есть при обычной топке, которая вероятно будет
использована для первых испытаний будет получен 60 кВт тепловой мощности, при
КПД паровой машины вместе с электрогенератором 25% будем иметь 15 кВт электрической мощности.
Однако мы ведём работы, о чём было сказано раньше, над созданием горелки вибрационного горения, для котла с топкой под наддувом, работающей на опилках. По разным оценкам это может привести к росту коэффициента теплоотдачи, в 5-40 раз. С учетом ограничения теплового мощности по кризису кипения [12]. Это означает получение локомобиля электрической мощностью 50-200 кВт.
Литература:
1. Воинов А.Н., Процессы сгорания быстроходных поршневых двигателей, Москва, Машиностроение, 1965 г.
2. Дмитриевкий А.В., Шатров Е.В. Топливная экономичность бензиновых двигателей, Москва, Машиностроение 1985 г.
3. Иноземцев Н.В., Кошкин В.К., Процессы сгорания в двигателях, Машгиз 1949 г.
4. Еленев А.В. Краткий справочник по сельхозмашинам. Сельхозиз 1957 г.
5. Масленников В.М., Батенин В.М., Штеренберг В.Я., Выскубенко Ю.А., Цалко Э.А. Модернизация существующих паротурбинных установок путём газотурбинных надстроек с частичным окислением природного газа. // Теплоэнергетика. 2000. № 3.
6. Машины и орудия для лесохозяйственных работ (справочник). Москва 1958 г.
7. Дузь П. Паровой двигатель в авиации. НКАП СССР. Государственное издательство оборонной промышленности 1939 г.
8. Дубинин В.С. Вопросы микроэнергетики летательных аппаратов. В книге «Гагаринские научные чтения по авиации и космонавтике , 1981год». М.:Наука , 1983 г.
9. Квачев В.Н. Исследования характеристик поршневой расширительной машины. //в кн.: Конструкция двигателей летательных аппаратов , их прочность и надежность. Тематический сборник научных трудов. Москва. Издательство МАИ 1991 г.
10. Ульянов И.Е. , Дубинин В.С. , Квачев В.Н. , Головченко Ю.А. , Лаврухин К.М. Способ работы поршневого двигателя и поршневой двигатель. Авт. свид. № 1753001 А1 , приор 19.07.89 , опубл. 07.08.92 Бюг №29.
11. Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов. Санкт-Петербург 2000. Издательство ДЕАН.
12. Старикович М. А., Шпальрайн Э. Э., Якимович К. А., Полонский В. С., Пузач В. Г., Мозговой А. Г., Михайлов В. В. Малогабаритные цилиндрические прямоточные парогенераторы. // Теплоэнергетика. 1986. №6.