Supraalimentarea motoarelor navale - necesitatea supraalimentarii cu aer

SUPRAALIMENTAREA MOTOARELOR NAVALE.

NECESITATEA SUPRAALIMENTARII CU AER

Puterea unui anumit motor este cu atat mai mare, cu cat lucrul mecanic realizat intr-un ciclu este mai mare si cu cat ciclul motor s-a efectuat intr-un interval de timp mai scurt. Dar lucrul mecanic realizat intr-un ciclu se obtine prin arderea unei anumite cantitati de combustibil, care necesita o anumita cantitate de aer. Prin urmare, puterea unui anumit motor va creste cu cresterea cantitatii de combustibil ars intr-un ciclu, ceea ce necesita cresterea masei de aer existenta in cilindri la sfarsitul procesului de umplere.

Sporirea masei de aer in decursul umplerii cilindrului prin cresterea densitatii r_a in scopul cresterii puterii motorului se numeste supraalimentare.

Marirea puterii m.a.i. poate fi obtinuta si prin cresterea dimensiunilor cilindrilor (cursa si alezajul) si a numarului acestora, precum si prin cresterea turatiei. Dimensiunile cilindrilor la motoarele navale au ajuns la valori maxime (D>1 000mm si S/D>2,5), care probabil ca nu mai pot fi dezvoltate in viitor datorita fortelor de inertie ridicate. Numarul de cilindri a ajuns, de asemenea, la valori maximale datorita vibratiilor torsionale si de incovoiere ale liniilor de arbori: 12 la motoarele in linie, 18 la motoarele in V si 112 cilindri la motoarele in X sau in stea (M505). Si in ceea ce priveste turatia, cresterea acesteia implica reducerea dimensiunilor constructive pentru limitarea fortelor de inertie create. Ca urmare, cel mai extins si mai eficace procedeu de marire a puterii este cresterea masei de aer prin supraalimentare.

SISTEME DE SUPRAALIMENTARE CU AER

Sistemele de supraalimentare ale motoarelor navale se clasifica dupa doua criterii: 1) presiunea aerului si 2) modul de actionare a agregatului de supraalimentare. Dupa primul criteriu, se disting urmatoarele sisteme de supraalimentare:

Dupa modul de actionare a suflantei sunt cunoscute urmatoarele tipuri:

Antrenarea mecanica asigura o supraalimentare joasa, presiunea de supraalimentare fiind limitata la 1,5.1,6 bar. La presiuni mai mari, puterea consumata pentru antrenarea agregatului de supraalimentare devine extrem de mare ceea ce reduce economicitatea motorului. Acest sistem asigura concordanta dintre debitul de aer si turatie, fara a sesiza si variatiile de sarcina. Aceste dezavantaje sunt inlaturate partial prin utilizarea unui sistem de ambreiaj centrifugal care permite cuplarea suflantei numai la regimuri de sarcina si de turatie ridicate.

In cazul actionarii electrice, suflanta trimite in cilindru o cantitate constanta de aer, fara a o pune in corelatie cu turatia sau cu sarcina motorului. De aceea utilizarea acestui sistem este limitata la:

motoarele cu regimuri de sarcina si de turatie constanta;

functionarea in regimurile reduse de sarcina si turatie ale motoarelor supraalimentate cu turbosuflante;

functionarea in caz de avarie a sistemului propriu-zis de supraalimentare.

Suflanta actionata de o turbina cu gaze reprezinta solutia cea mai des intalnita, datorita consumului relativ redus de putere si a autoreglarii la orice regim de sarcina sau de turatie. Suflanta este montata pe acelasi arbore cu rotorul turbinei cu gaze, ansamblul fiind denumit turbosuflanta. Turbina valorifica o parte din energia gazelor arse evacuate din motor, astfel ca pentru actionarea suflantei nu este consumata putere de la motor. Pentru a se mari eficienta supraalimentarii este necesara racirea aerului intre suflanta si motor. Deasemenea , deschiderea supapei de evacuare se face cu un avans marit, pentru a se crea posibilitatea unei destinderi mai mari a gazelor de evacuare in paletele turbinei. O alta masura de crestere a eficientei supraalimentarii o reprezinta impartirea galeriei de evacuare in ramificatii separate, pentru o mai buna folosire a energiei cinetice a gazelor de evacuare. Sistemul asigura supraalimentare medie, ceea ce creeaza eforturi marite in mecanismul biela-manivela si presiuni relativ sporite in cuzinetii bielelor si ai arborelui cotit. De aceea, la proiectarea si realizarea acestor organe se impun solutii constructive si tehnologice corespunzatoare.

Supraalimentarea de presiune mare si foarte mare se realizeaza prin comprimarea aerului in doua trepte si racirea lui intermediara. Prima treapta de comprimare se realizeaza cu o turbosuflanta, iar a doua treapta poate fi realizata cu o pompa de aer cu piston, antrenata de motor (sistem utilizat la MAC in doi timpi). A doua treapta de comprimare poate fi asigurata tot cu o turbosuflanta sau cu o suflanta antrenata mecanic (la motoarele in patru timpi). In cazul supraalimentarii de presiune foarte mare, este necesara racirea aerului dupa fiecare treapta de comprimare. La motoarele cu supraalimentare de presiune mare si foarte mare, organele mecanismului motor trebuie dimensionate corespunzator, pentru a rezista solicitarilor ridicate la care sunt supuse.

PARTICULARITATI ALE SUPRAALIMENTARII MOTOARELOR IN DOI TIMPI

Particularitatile functionale si constructive ale motoarelor in doi timpi, determinate de lipsa curselor de pompaj ale motoarelor in patru timpi, la supraalimentarea cu turbosuflanta conduc la:

a)      pornirea dificila si functionarea instabila a motorului la turatii reduse;

b)      consum mare de aer de baleiaj;

c)      reducerea temperaturii gazelor arse datorita amestecarii lor cu aerul de baleiaj;

d)     inrautatirea baleiajului la cresterea presiunii la evacuare.

Pentru inlaturarea acestor neajunsuri sunt utilizate urmatoarele scheme de supraalimentare:

a)       Completarea instalatiei de supraalimentare cu turbosuflanta cu o electrosuflanta care sa asigure baleiajul si umplerea cilindrilor la pornire si sa completeze debitul de aer al turbosuflantei la regimurile de functionare cu turatie redusa ale motorului (fig. 2.a);

b)       Instalatie de supraalimentare in paralel (fig. 2.b) la care aerul este debitat intr-un colector comun, atat de suflanta, cat si de pompa de aer. La acest sistem debitul incomplet al suflantei este completat de de debitul pompei de aer actionata de motor. In acest scop, se pune problema stabilirii dimensiunilor optime ale pompei de aer, care sa asigure debitul de aer necesar.

c)       Instalatii de supraalimentare in succesiune (serie) (fig. 2.c). In acest caz, suflanta actionata de turbina cu gaze introduce aerul comprimat in aspiratia pompei de aer actionata de motor. Sistemul permite realizarea unor presiuni mari ale aerului de supraalimentare, o umplere buna a

cilindrilor si, prin aceasta, asigurarea unei supleti mari a motorului la trecerea de la un regim de functionare la altul.

d)      Instalatia de supraalimentare mixta (fig. 2.d) care consta in supraalimentarea unor cilindri dupa schema paralel si a celorlalti dupa schema serie. Sistemul asigura imbinarea avantajelor oferite de cele doua sisteme.

e)       Instalatia de supraalimentare cu doua trepte de comprimare (fig. 2.e) poate fi realizata la prima treapta cu turbina cu impuls, iar a doua treapta cu o turbina de presiune constanta. Comprimarea se face in succesiune, iar aerul este racit dupa fiecare treapta de comprimare. Sistemul este aplicat la motoarele cu presiuni efective mari (p_e 20.25 bar).

PARTICULARITATILE UMPLERII LA MOTOARELE IN 4 TIMPI SUPRAALIMENTATE

Analizand diagrama indicata de pompaj a unui motor in patru timpi supraalimentat (fig. 3) se observa ca datorita pierderilor gazodinamice presiunea in cilindri, atat in decursul cat si la sfarsitul umplerii p_a este mai mica decat presiunea aerului de supraalimentare p_s.

Pentru ca aerul sa patrunda in cilindrul motorului trebuie ca presiunea din colectorul de umplere sa fie mai mare decat presiunea gazelor din cilindri. Realizarea acestei conditii impune ca, la motoarele supraalimentate, avansul la deschiderea supapelor de evacuare sa fie marit. Prin aceasta masura se imbunatateste evacuarea gazelor, inclusiv functionarea turbinei cu gaze, care va dispune de o cantitate sporita de energie, ceea ce va avea ca efect cresterea sensibila a presiunii de supraalimentare. Momentul inchiderii supapelor de evacuare trebuie corelat cu momentul deschiderii supapelor de admisie, tinand seama de necesitatea realizarii unui baleiaj corespunzator, prin care sa se asigure evacuarea fortata a gazelor arse si racirea peretilor cilindrilor, a capului pistonului, a chiulasei si supapelor de evacuare; cerinta impusa de solicitarile termice mai ridicate ale acestor organe. La MAC in patru timpi supraalimentate suprapunerea deschiderii supapelor se afla intre limitele 90.150⁰ RAC, comparativ cu 40.60⁰ RAC, cat se folosesc la MAC cu admisie naturala (fig. 4)

Pentru a folosi cat mai rational fenomenul de umplere inertiala, intarzierea la inchidere a supapelor de admisie trebuie sa fie mai mare fata de intarzierea la inchidere a supapelor de admisie la MAC cu admisie naturala.

CONSTRUCTIA AGREGATULUI DE SUPRAALIMENTARE

In constructia agregatului de supraalimentare se utilizeaza doua tipuri de suflante: de dislocare sau cu palete.

Suflantele de dislocare pot fi:

a)      cu piston;

b)      cu placi rotitoare;

c)      cu rotoare profilate (tip Roots);

d)     elicoidale (cu surub);

iar cele cu palete:

a)      centrifugale;

b)      axiale;

c)      axial-centrifuge.

Cea mai mare raspandire o au suflantele centrifugale caracterizate prin dimensiuni reduse si randament ridicat. Valorile reduse ale dimensiunilor se datoreaza turatiilor mari de functionare (20.000.100.000 rot/min).

Din punct de vedere constructiv, turbinele cu gaze utilizate in agregatele de supraalimentare pot fi axiale sau radiale, cea mai larga utilizare avand-o cele axiale, caracterizate prin randament ridicat la gabarite si greutati reduse.

Dupa modul cum este folosita energia continuta de gazele de evacuare se disting:

a)      turbina de presiune constanta;

b)      turbina de presiune variabila (numita si turbina cu impuls).

La turbina de presiune constanta, evacuarea gazelor este dirijata intr-un colector comun pentru toti cilindrii, al carui volum este suficient de mare in raport cu volumul unui cilindru. La turbina cu impuls sistemul de evacuare se imparte in mai multe colectoare separate, care au un volum redus. Fiecare din aceste colectoare se cupleaza cu un grup de doi, trei sau patru cilindri. In cazul supraalimentarii inalte si foarte inalte, se utilizeaza sistemul combinat cu prima turbina cu impuls si cea de a doua de presiune constanta.

Dupa modul de rezemare a arborelui turbosuflantei se deosebesc urmatoarele solutii:

a)      arbore rezemat la extremitati (fig. 5.a). Solutia permite montarea simpla, vizitarea lagarelor, protejarea lagarelor de temperatura inalta a gazelor de evacuare si simplificarea sistemului de etansare, dar mareste lungimea agregatului;

b)      arbore cu rotoarele in consola la extremitati (fig.5.b). Rezulta reducerea lungimii, dar lagarele nu pot fi vizitate si sistemul trebuie protejat la incalzire;

c)      solutia combinata (fig.5.c), care protejeaza lagarul turbinei cu gaze impotriva incalzirii si asigura pierderi minime la intrarea aerului in compresor;

d)     arbore cu rotoarele in consola la o singura extremitate (fig.5.d). Asigura compactitate si rigiditate ridicata, dar determina incalzirea aerului in suflanta.

Ca lagar de reazem se utilizeaza atat lagare de alunecare, cat si lagare de rostogolire.

MASURI CONSTRUCTIVE APLICATE LA M.A.I. SUPRAALIMENTATE

Pentru a mari sectiunea de trecere a canalelor de evacuare si admisie, la motoarele in patru timpi supraalimentate se prevad, la fiecare cilindru cate doua supape de admisie si doua supape de evacuare. Pentru a mari coeficientul de umplere se intervine asupra profilului camelor de actionare a supapelor de distributie, in scopul obtinerii unui timp-sectiune mai mare. In acest fel, se poate asigura umplerea suplimentara a cilindrului, pe baza inertiei coloanei de aer, realizandu-se o suprapresiune de 0,1 . 0,2 bar (fig.6).

Lungimea colectorului de evacuare trebuie stabilita din conditia ca undele de presiune care se formeaza in acest colector sa favorizeze umplerea cilindrului.

Colectorul de evacuare trebuie astfel construit incat variatiile de presiune care apar in cilindru si in acest colector sa influenteze favorabil procesul de baleiaj. Pentru a inlatura suprapunerea in timp a perioadelor de baleiaj, uneori este necesar sa se foloseasca mai multe colectoare de evacuare. Daca a_ciclu este unghiul de rotatie al arborelui cotit aferent unui ciclu motor; i - numarul de cilindri si a_sp unghiul de rotatie corespunzator suprapunerii deschiderii supapelor, decalajul intre procesele care se realizeaza succesiv in doi cilindri trebuie sa fie:

a_sp a_ciclu/i

Daca i_c este numarul de cilindri care in decursul duratei a_ciclu evacuate in fiecare colector si n_c - numarul de colectoare ale motorului, atunci:

a_sp a_ciclu/i_c n_c   

Admitand, in functie de tipul motorului, marimea a_sp si numarul de cilindri i_c , se obtine numarul d colectoare n_c . Gruparea pe colectoare a cilindrilor depinde de numarul de cilindri si de ordinea de aprindere. In figura 7 este prezentata gruparea cilindrilor pe colectoare de evacuare.

Un alt factor de influentare a baleiajului si umplerii cilindrului il constituie raportul dintre volumul colectorului de evacuare si volumul unui cilindru (Vcol/Vs). S-a constatat ca prin reducerea acestui raport, impulsurile de presiune in colectorul de evacuare cresc (curba I din fig.8), ceea ce conduce la cresterea presiunii aerului ps si la marirea diferentei de presiune ΔpI, cu efecte favorabile asupra procesului de baleiaj. Daca acest raport creste, impulsurile de presiune se reduc; de asemenea, se reduce si diferenta de presiune ΔpII<ΔpI.

PARAMETRII CICLULUI DE FUNCTIONARE AL MOTOARELOR SUPRAALIMENTATE

Deoarece presiunea de supraalimentare ps se afla intr-o dependenta complexa de mai multi factori ai ciclului de functionare, stabilirea marimii ei pentru diferite tipuri de motoare prevazute cu diverse scheme de supraalimentare este dificila. Pentru calculele aproximative aceasta presiune poate fi obtinuta din expresia consumului specific efectiv de combustibil:

ps = RαLTs pe ce / 3 600 λv [pa]

Pe baza datelor experimentale, s-a stabilit ca intre ps si pe exista o legatura de forma:

ps = C pe

in care C = 6,85 . 8,33 pentru M.A.C. in patru timpi si C = 4,55 . 5,55 pentru M.A.C. in doi timpi. Marimile mai reduse ale acestui raport la motoarele in doi timpi se explica prin consumul specific de aer de baleiaj mai mare ( ba = 9,5 . 11 kg/kwh     fata de 5,4 . 8,1 kg/kwh cat este necesar la motoarele in patru timpi).

Una din conditiile de baza menita sa asigure cresterea eficientei supraalimentarii o constituie necesitatea reducerii temperaturii aerului.

Conform relatiei:

Temperatura Ts la iesirea din suflanta depinde de temperatura mediului ambiant T0 , de raportul presiunilor (ps /po ) si de exponentul politropic ns . In figura 9 este prezentata variatia temperaturii si a densitatii aerului de supraalimentare, functie de ps, pentru diferite marimi ale exponentului politropic ns. Se remarca faptul ca, pentru

orice valori ns , creste presiunea ps determinand in primul rand cresterea temperaturii si mai putin a densitatii.

Racitorul de aer este apreciat dupa:

efectul de racire produs;

reducerea presiunii aerului datorita rezistentelor gazodinamice proprii.

Prin efect de racire se intelege raportul:

E_rac = T_s - T_s^'/T_s - T₀ = 0,6 . 0,9   

unde T_s si T_s^' reprezinta temperatura aerului la intrarea si respectiv, iesirea din racitor.

Reducerea presiunii aerului la trecerea prin racitor este apreciata prin raportul dintre presiunea la iesirea si respectiv la intrarea in racitor:

δ_rac = p_s^'/p_s   

Deci, in functie de δ_rac, rezistenta gazodinamica la trecerea aerului va fi: Δ_prac = p_s     - p_s^' = (1 - δ_rac)p_s. In cazul racitoarelor motoarelor navale, in conditii normale de exploatare, Δ_prac = (0,006 . 0,015)bar.

Pentru a evita cresterea excesiva a presiunii de ardere p_z , la motoarele supraalimentate raportul de compresie se limiteaza la ε = 11 . 12. De asemenea rapotul de crestere a presiunii e limitat la λ_p ≤ 1,34 . 1,54. Cu toate aceste reduceri, presiunea maxima de ardere atinge valori ridicate (110 . 130 bar). S-a constatat ca o functionare corespunzatoare a motorului, cu o economicitate maxima, se realizeaza pentru rapoarte:    p_z/p_s = 40 . 50.

In figura 10 este prezentat domeniul de variatie a presiunii p_z in functie de p_s.

Experimental s-a constatat ca odata cu cresterea puterii specifice a motorului prin supraalimentare, cresc si pierderile mecanice. Astfel, la motoarele in doi timpi, prin cresterea p_e de la 8 la 12 bar, presiunea medie a pierderiloe mecanice a crescut de la cca 0,9 la cca 1,4 bar. La motoarele in patru timpi, la cresterea p_e de la 15 la 22 bar, presiunea medie a pierderilor mecanice s-a marit de la 1,9 la 2,2 bar.

Raportul dintre p_s si p_ev (presiunea gazelor din colectorul de evacuare) caracterizeaza perfect procesul de schimb de gaze la motoarele supraalimentate. Conform datelor experimentale p_s/p_ev = 1,15 . 1,5 la motoarele lente si semirapide si p_s/p_ev = 1,35 . 1,5 la motoarele rapide.