§4.4. Водяная система.

Назначение системы. Водяная система предназначена для отвода и рассеивания тепла от гильз и крышек цилиндров, а также от выпускных коллекторов дизеля во избежание их перегрева. Вода охлаждает эти детали и узлы дизеля во внутренней системе охлаждения и переносит теплоту в охлаждающие устройства (радиаторы), где она передается в атмосферу. Охлажденная воздухом вода возвращается в систему дизеля. С учетом габаритов и автономности установки дизеля водяная система в локомотиве может быть только замкнутой. Циркуляцию воды в ней обеспечивает водяной насос. Теплоотдача дизеля в воду весьма велика (см. табл. 4.2). Поэтому на современных дизелях для магистральных тепловозов устанавливаются центробежные водяные насосы с производительностью 100—150 м³/ч, обеспечивающие интенсивную циркуляцию охлаждающей воды.

На некоторых тепловозах (ТЭП70, ТЭП80, 2ТЭ116, ТЭМ7, ТГМ6А и др.) водяная система используется для отвода тепла от водомасляного теплообменника и охладителя наддувочного воздуха. Кроме того, на многих тепловозах небольшая часть горячей воды подается в холодное время года в топливоподогреватель и в калорифер кабины машиниста для ее обогрева.

Типы водяных систем. Водяные системы классифицируют по следующим признакам: по количеству контуров циркуляции воды — одно-, двух- и трехконтурные; по температуре воды, если она ниже точки кипения — среднетемпературные, если выше — высокотемпературные; по способу сообщения воды с атмосферой — открытые и закрытые.

В общем случае на тепловозе (рис. 4.23) вода может использоваться для отвода тепла от трех его источников: дизеля 2, водомасляного теплообменника 6 и воздухоохладителя 1. Источники тепла могут быть включены в водяную систему по-разному.

Рисунок 4.23 – Схемы водяных систем тепловозных дизелей:

а — трехконтурная; б — двухконтурная; в — одноконтурная; 1 — возду­хоохладитель; 2 — дизель; 3, 4, 7 — водяные насосы; 3 — водовоздуш-ный радиатор; 6— водомасляный теплообменник.

В связи с этим водяная система может быть трехконтурной, когда для каждого источника тепла создается независимый контур циркуляции воды соответственно с насосами 3, 4 и 7 и блоками водовоздушного радиатора 5 (рис. 4.23, а). Такая система удобна для раздельного регулирования температур охлаждающих жидкостей и, в особенности, наддувочного воздуха, однако наличие трех насосов и необходимость их привода делают ее слишком сложной. Кроме того, так как все насосы обычно размещают на дизеле, в этой системе наибольшие общие длина и вес трубопроводов. Трехконтурная система применялась на тепловозах ТЭ10 и ТЭП60 первых выпусков.

В двухконтурной схеме (рис. 4.23, б) разделены контур охлаждения дизеля 2 с насосом 3 и контур охлаждения масла в водомасляном теплообменнике 6 и воздуха в воздухоохладителе 1 с насосом 4. Такая схема применена на многих магистральных и маневровых тепловозах для раздельного регулирования температур воды и масла.

Возможна и одноконтурная система, в которой все источники тепла включены в общий контур циркуляции воды с одним насосом. Эта схема (рис. 4.23, в) наиболее проста по устройству, однако в ней трудно обеспечить оптимальные условия охлаждения агрегатов. На тепловозах с масловоздушными радиаторами (ТЭЗ, ТЭМ1), без охлаждения наддувочного воздуха, применялась водяная система из одного контура охлаждения дизеля. Такая схема применялась на некоторых опытных и экспортных (V300) тепловозах, а также на тепловозе ТЭ109 с дизелем 1А-5Д49.

В открытых системах свободная поверхность воды в одной из точек системы (расширительном баке) соприкасается с атмосферным воздухом. Максимальная температура воды в таких системах ограничивается 95—96 °С, так как при 100 °С в нормальных атмосферных условиях вода кипит. Открытые системы применяются на многих отечественных тепловозах.

Закрытые системы герметичны, они могут работать при температуре воды выше 100°С, если в них поддерживается давление выше атмосферного. Избыточное давление около 0,03 МПа может создаваться испарением воды в замкнутом объеме. Б'олышее давление нужно обеспечивать искусственно. Высокотемпературное охлаждение (при температурах воды выше 100 °С) показало некоторые преимущества: уменьшаются потери тепла в воду, требуется меньшая поверхность охлаждения радиаторов. Высокотемпературное охлаждение водяных систем применено на тепловозах 2ТЭ116 и ТЭП70.

С созданием на Людиновском заводе тепловоза ТЭРА1 появилась еще одна разновидность водяной системы охлаждения — одноконтурная система с осушаемым радиатором. В ней вода из секций радиатора сливается в расширительный теплоизолированный бак при остановке дизеля, чем предотвращается замораживание секций радиатора при низких температурах.

В тепловозах 2ТЭ10Л, ТЭМ2, ТЭМ2У применялись масловоздушные радиаторы (секции), а в тепловозах более поздних выпусков 2ТЭ10В(М) и модернизированном после заводского капитального ремонта тепловозе ТЭМ2У^М — водомасляные теплообменники. При установке теплообменника непосредственно на дизеле ПД4М уменьшается длина водяных труб и общее число радиаторных секций. В первом контуре тепловозов 2ТЭ10В и ТЭМ2У^М охлаждается вода дизеля, а во втором — воздух турбокомпрессора и масло в теплообменниках.

Схема водяной системы тепловоза ТЭП70. Система водяного охлаждения дизеля выполнена двухконтурной (рис. 4.24).

В первом контуре (горячем) вода, циркулируя между дизелем 15 и водовоздушными радиаторами 7, 26 под действием лопастного насоса 21, охлаждает втулку цилиндров, турбокомпрессор и газовыпускные коллекторы. В холодное время года горячая вода дизеля используется для обогрева кабин машиниста, в которых установлены калориферы 3 и 16, а также для подогрева топлива в топливоподогревателе 8.

Во втором контуре охлажденная вода в водовоздушных радиаторах 7, 6 засасывается водяным насосом 22 и направляется в два последовательно включенных водомасляных теплообменника 14, 19, а. затем в трубчатый холодильник наддувочного воздуха 20. Нагретая вода вновь поступает в охлаждающее устройство. Оба контура имеют общий расширительный бак 10 с выносным «водомерным стеклом». Водяная система — закрытая с избыточным давлением 0,05—0,075 МПа. Давление возникает в результате выделения пара из воды при повышении ее температуры. Чтобы в системе не создавалось давление выше назначенного, на расширительном баке 10 установлен предохранительный паровоздушный клапан 11, выпускающий часть паровоздушной смеси в атмосферу при давлении выше 0,075 МПа. В предохранительный клапан встроен обратный клапан, открывающийся при образовании в системе вакуума до 0,004—0,007 МПа.

Рисунок 4.24 – Схема водяной системы тепловоза ТЭП70:

1,6 — водовоздушные радиаторы второго контура; 2, 4, 9, 13, 17, 18, 23, 25, 27— вентили; 3, 16 — калориферы обогрева кабин; 5 — ручной насос для дозаправки системы; 7, 26 — водовоздушные радиаторы первого контура; 8 — топливоподогреватель; 10 — расширительный бак; 11 — паровоздушный предохранительный клапан; 12, 24 — соединительные головки; 14, 19 — водомасляные теплообменники; 15 — дизель; 20 — охладитель наддувочного воздуха; 21, 22 — водяные центробежные насосы.

Система заполняется водой через заливочную горловину расширительного бака 10 или через соединительные головки 12.

В современных локомотивах с двухконтурной системой охлаждения устанавливают трубопровод с регулирующим клапаном, соединяющий оба контура. Регулирующий клапан работает синхронно с механизмом управления жалюзи второго контура. При закрытии жалюзи клапан обеспечивает перепуск воды из первого («горячего») контура во второй, а при открытии жалюзи подача воды во второй контур прекращается. Внесенные в систему охлаждения дизеля изменения ускорили прогрев масла в 1,5 раза и подготовку дизеля для работы под нагрузкой, что особенно важно в зимних условиях. Уменьшается охлаждение наддувочного воздуха в воздухоохладителе, что благоприятно влияет на расход топлива дизелем.

Схема водяной системы тепловоза ТЭРА1. Система охлаждения дизеля — одноконтурная закрытого типа с избыточным давлением (рис. 4.25) и состоит из насосов, водовоздушных радиаторов, водомасляного теплообменника, расширительного бака и трубопровода.

Схема охлаждения тепловоза предусматривает возможность охлаждения компрессора, подогрев топлива, а также слив охлаждающей жидкости из секций радиатора при остановке дизеля. Применение одноконтурной системы упрощает слив воды из радиаторов и их заполнение в холодный период эксплуатации тепловоза. Подогрев топлива и масла перед запуском дизеля при низких температурах возможен прокачкой топлива и масла через топливоподогреватель и водомасляный теплообменник, после предварительного заполнения водяной системы водой.

Рисунок 4.25 – Схема водяной системы тепловоза ТЭРА1:

1,2 — водяные центробежные насосы; 3 — дизель; 4 — паровоздушный клапан; 5 — расширительный бак; 6, 13 — вентили; 7,8 — водовоздуш-ные радиаторы; 9— водомасляный теплообменник; 10 — компрессор; 11 — топливоподогреватель; 12 — соединительная головка; 14 — автомати-ческий сливной клапан.

Центробежными насосами 1 и 2 охлаждающая жидкость забирается из расширительного бака 5 и водомасляного теплообменника 9 и нагнетается в дизель 3. Охладив дизель, наддувочный воздух, турбокомпрессор, охлаждающая жидкость поступает в водомасляный теплообменник 9 и далее к насосам 1, 2. При остановке дизеля охлаждающая жидкость из радиаторов 7, 8 автоматически сливается в расширительный бак 5, расположенный ниже их уровня.

Для уменьшения скорости потока в трубках радиатора часть охлаждающей жидкости, минуя охлаждающее устройство, поступает в трубопровод а перед охладителем масла дизеля 9 и сливается в расширительный бак 5. Часть охлаждающей жидкости из насосов 1, 4 по вспомогательному трубопроводу б идет на топливоподогреватель 11 и охлаждение компрессора 10, затем, соединяясь в трубопроводе перед водомасляным теплообменником 9, поступает к насосам 1, 2.

Пар и воздух с некоторым количеством воды из радиаторов и водомасляного теплообменника отводится паровоздушными трубками в расширительный бак 5.

Давление и температура охлаждающей жидкости контролируется по датчику давления, установленному на выходе из левого насоса 2, и по дистанционному термометру на линии всасывания правого насоса 1. Датчики термореле управляют работой жалюзи и контролируют допустимую температуру.

При давлении в расширительном баке более 0,14 МПа срабатывает паровоздушный клапан 4, предохраняя систему от дальнейшего повышения давления. Охлаждающая жидкость сливается и заправляется через соединительную головку 12 и вентиль 13. При достижении температуры окружающего воздуха ниже +4 °С срабатывает автоматический клапан слива 14 и охлаждающая жидкость из системы автоматически сливается в теплоизолированный бак, предохраняя ее от замораживания.

Трубопроводы водяной системы в тепловозах окрашиваются в светло-зеленый цвет.

Приборы контроля температуры и защиты дизеля от перегрева.

Для контроля температуры предусмотрены электротермометры в кабинах машиниста. Датчики этих термометров установлены на выходном трубопроводе первого контура системы охлаждения. В дизельном отделении тепловоза размещаются ртутные термометры для периодического контроля соответственно температуры первого и второго контуров циркуляции на входе и выходе из дизеля. На выходном трубопроводе установлены датчики температуры, которые связаны с термореле, управляющими соответственно открытием жалюзи и сбросом нагрузки дизеля.

В тепловозе ТЭП70 к выходному трубопроводу подсоединен трубопровод терморегулятора, управляющего работой гидромотора вентилятора, который при увеличении температуры воды в горячем контуре пропускает в гидромотор большее количество масла, при этом увеличивается частота вращения гидромотора и тем самым снижается температура воды.

Водяной (расширительный) бак предназначен для размещения части увеличивающегося объема воды при повышении температуры в системе охлаждения агрегатов локомотива, обеспечения необходимого давления, а также пополнения системы при утечках воды. Наличие расширительного бака устраняет образование воздушных и паровых пробок и создает возможность термосифонного охлаждения двигателей после остановки, когда горячая вода поднимается от двигателя в бак, а холодная поступает в двигатель. Расширительный бак устанавливают в самой верхней точке водяной системы. Емкость водяной системы современных тепловозов составляет 900—-1500 л. При нагревании воды от 20 до 90 °С объем увеличивается на 30—60 л. Емкость расширительного бака 100—300 л.

Корпус бака оборудуют водомерными стеклами, трубкой для отвода пара в атмосферу, заливной горловиной, перегородками для создания жесткости бака. Площадь сечения трубы, соединяющей бак с водяной системой, значительно меньше, чем площадь сечения труб основной магистрали, при этом вода проходит в основном по кругам циркуляции. На локомотивах с двумя кругами циркуляции бак разделен перегородкой с отверстием для выравнивания уровня воды в разных частях бака, причем каждый отсек бака обслуживает свой круг. У тепловоза ЧМЭЗТ два расширительных бака, сообщающихся трубопроводом.

Форма бака обусловлена пространством для его установки. Баки тепловозов ТЭМ2, ТГМ4, ТГМ6, 2ТЭ10М и ТЭП70 выполнены в виде прямоугольного параллелепипеда, а тепловозов ТЭ109, М62, ТЭ121 и 2ТЭ116 — цилиндра.

Водяные насосы. При термосифонной циркуляции вода от горячих элементов к холодным перемещается вследствие перепада плотности холодной и горячей воды. Такие системы для локомотивов не применяют из-за малых скоростей перемещения воды, хотя эффект термосифонной циркуляции есть. Для обеспечения принудительной циркуляции в водяных системах охлаждения дизелей тепловозов устанавливают водяные насосы центробежного типа с механическим приводом.

Устройство водяных насосов тепловозных дизелей одинаково. Они отличаются размерами рабочего колеса и, следовательно, производительностью, а также устройствами уплотнения со стороны привода.

Необходимую подачу насоса G_в (м³/с), обеспечивающую отвод теплоты от поверхностей дизеля и передачу ее в окружающую среду, определяют из выражения:

(4.14)

где Р_в — количество теплоты, выделяемое в воду дизелем, кВт (см. табл. 4.2); с_в = 4,187 кДж/(кг-К) — удельная теплоемкость воды; ρ_в = 1000 кг/м³ — плотность воды; Δt_в = 6—10°С — перепад температур воды на выходе из дизеля и на входе.

Количество теплоты, отводимой из дизеля охлаждающей водой, можно ориентировочно определить по выражению (4.13), приняв для дизелей средней быстроходности а₂ = 0,15—0,20, а для быстроходных а₂ = 0,1—0,15.

Мощность, потребляемую насосом, определяют по выражению (5.6). Гидравлическое сопротивление водяной системы принимают по экспериментальным данным или рассчитывают.

Из выражения (4.14) следует, что необходимая подача водяного насоса зависит от разности Δt температур. Для уменьшения размеров водяного насоса и потребляемой мощности необходимо снизить подачу насоса, что возможно при увеличении Δt. Наибольшая температура воды, выходящей из дизеля, обусловлена типом системы охлаждения. Разность температур воды на входе в дизель и выходе определяют исходя из предотвращения возникновения в двигателе недопустимых температурных деформаций.

Системи повітропостачання і повітряного охолоджування.

Очисники повітря.