§4.4. Системы воздухоснабжения.

Назначение и условия работы системы подачи воздуха. Локомотив является мощным потребителем воздуха. Во-первых, воздух используется как компонент рабочей смеси в силовых установках тепловозов и газотурбовозов, во-вторых, для охлаждения тяговых электрических машин и аппаратов. Современные тепловозные дизели требуют для своей работы большой расход воздуха (15—17 тыс. м³/ч — дизели 10Д100 и 11Д45 и 14—15 тыс. м³/ч — дизель 1А—5Д49). Для подачи воздуха в системах тепловозов используются нагнетатели (компрессоры) различных типов. Воздух забирается извне тепловоза через воздухоприемные устройства.

Воздух, окружающий тепловоз во время движения, содержит во взвешенном состоянии большое количество разнообразных по природе и различных по размерам твердых частиц — пылинок. Движение локомотива с поездом, особенно с большей скоростью, вызывает завихрение окружающего железнодорожный путь воздуха и способствует отрыву от земли и подъему более крупных и тяжелых частиц, главным образом кремнезема SiO₂, а также металлической пыли от истирания тормозных колодок. Запыленность воздуха вокруг тепловоза во время движения зависит от многих условий и в среднем равна 2—4 мг пыли на 1 м³ воздуха. В особо неблагоприятных условиях она может достигать 50 и даже 100 мг/м³.

Железнодорожная пыль характерна своей высокой раздробленностью или, как говорят, дисперсностью. В ней преобладают очень мелкие частицы. В средних условиях 65—70 % частиц пыли имеют размеры менее 5 мкм (0,005 мм). Наличие пыли в воздухе ускоряет абразивный износ деталей двигателей, так как твердость некоторых частиц, особенно кремнезема, выше твердости материалов деталей шатунно-поршневой группы. Поэтому все тепловозные дизели обязательно снабжаются воздухоочистителями.

Количество влаги в воздухе, поступающего к дизелю, обусловлено интенсивностью дождя, предельное значение которой принимают 3 мм/мин. Такая интенсивность принимается до 5 мин 1—2 раза в год. Кроме этого, в расчетах можно принимать интенсивность дождя 1,5 мм/мин в течение 1 ч и 0,5 мм/мин — за 5 ч. Загрязненность воздуха в помещении машинного отделения масляным туманом может быть до 0,3 мг/м³.

Система воздухоснабжения дизеля предназначена для забора воздуха, его очистки, охлаждения (подогрева) и нагнетания в дизель. К показателям работы системы воздухоснабжения прежде всего относят эффективность очистки воздуха от пыли, влаги и других примесей, гидравлическое сопротивление и пылеемкость воздухоочистителя. В систему воздухоснабжения входят устройство для очистки воздуха (воздухоочистители), агрегаты наддува (воз- духонагнетатели), воздухоохладители, воздуховоды и воздухозаборные устройства.

Применяют систему воздухоснабжения с одной (рис. 4.26, а) и двумя (рис. 4.26, б) ступенями сжатия, с воздухоохладителями и без них. Охлаждение наддувочного воздуха для тепловозных дизелей применяют преимущественно при его давлении выше 0,13—0,2 МПа и осуществляют либо охлаждающим воздухом, либо водой. Такое охлаждение уменьшает удельный объем воздуха, нагнетаемого в цилиндры дизеля, увеличивая этим массу воздушного заряда.

Охлаждение наддувочного воздуха атмосферным воздухом применено на опытном тепловозе ТЭП75. Для двухтактных дизелей, требующих большего количества воздуха при одинаковой мощности по сравнению с четырехтактными из-за необходимости продувки цилиндров применяется двухступенчатый наддув. Как правило, в первой ступени используется турбокомпрессор, а во второй — приводимые от коленчатого вала дизеля нагнетатели: центробежные (дизель 10Д100) или объемные роторного типа (дизель Д40). При этом воздухоохладитель может стоять после первой (Д40) или после второй (10Д100) ступени. Приводной нагнетатель облегчает пуск дизеля и обеспечивает подачу необходимого количества воздуха при малых нагрузках дизеля, когда энергия выхлопных газов недостаточна для выхода турбокомпрессора на устойчивый режим работы.

При работе локомотива в условиях низких зимних температур (наличие переохлажденного воздуха) ухудшаются условия полного сгорания топлива и увеличивается время прогрева дизеля. Поэтому необходимо проводить подогрев наддувочного воздуха, например, введением дросселирования его до или после агрегата наддува. В этом случае увеличивается коэффициент остаточных газов в ресивере. Более эффективен подогрев воздуха перепуском воды из контура охлаждения дизеля в контур охлаждения наддувочного воздуха (тепловозы 2ТЭ116, ТЭП70, ТЭП70БС), так как на холостом ходу и малых нагрузках температура воды контура охлаждения дизеля намного превышает температуру воды в контуре охлаждения воздуха.

Система воздухоснабжения забирает воздух из атмосферы и подводит его к дизелю по трубе, от которой к каждому всасывающему каналу в крышке цилиндра ответвляется патрубок. Диаметр трубы выбирают в зависимости от числа цилиндров и их диаметра, а также угловой скорости вращения вала двигателя. Для шести- и восьмицилиндровых двигателей при угловой скорости вала двигателя 60—160 рад/с он равен 0,6—0,7 диаметра цилиндра, а при наличии наддува — 0,7—1,0. Конструкция воздуховодов и воздухозаборных устройств обусловлена компоновкой локомотива, типом и числом дизелей.

Рисунок 4.26 – Схемы систем подачи воздуха и выпуска газов тепловозных дизелей:

а — 10Д100; б — ПД1М, Д49; 1 — воздухоохладитель; 2 — приводной нагнетатель; 3 — промежуточный воздуховод; 4 — впускной коллектор; 5 — газовая турбина; 6 — компрессор; 7— воздухоочиститель; 8 — воз-духоприемное устройство; 9— выпускной коллектор.

Агрегаты наддува и воздухоохладители являются узлами дизеля. Конструкция и основные параметры воздуховодов, воздухозаборных устройств и воздухоочистителей определяются в процессе проектирования тепловозов.