ОХЛАЖДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДИЗЕЛЯ

ДЛЯ ЧЕГО И ЧЕМ ОХЛАЖДАЮТ ДЕТАЛИ ДИЗЕЛЯ?

Если бы вся тепловая энергия, образованная в цилиндрах дизеля, превращалась в механическую, а отработавшие газы и детали, соприкасающиеся с ними, были холодными и отсутствовали потери на трение, то коэффициент полезного действия дизеля был бы равен 100%. Однако в действительности этого нет и быть не может. В наиболее совершенных дизелях примерно 40% тепла, введенного с топливом, превращается в полезную работу, а остальное тепло теряется с отработавшими газами, на нагрев деталей и преодоление сил трения. Достаточно указать, например, что температура нижних поршней дизеля 10Д 100 в некоторых точках достигает 450°С. Лишь на 50— 100°С ниже температура отдельных точек цилиндровых крышек дизелей 5Д49.
Если не принять специальных мер, то соприкасающиеся с горячими газами детали быстро перегреются, механическая прочность их уменьшится, пленка смазки между ними выгорит. Сухое трение сильно затруднит движение трущихся деталей и приведет к повреждению их рабочих поверхностей. Чтобы этого не случилось,  нормальное тепловое состояние деталей дизеля поддерживается с помощью специальной  системы  охлаждения.
Самый простой способ охлаждения — это рассеивание тепла в окружающую среду поверхностями самих деталей. Так и делают у дизелей небольшой мощности, используя воздушное охлаждение. Но для мощного дизеля такое решение задачи неприемлемо, так как размеры поверхностей нагревающихся деталей ничтожно малы по сравнению с тем количеством тепла, которое нужно отвести от них для нормальной работы. А увеличить эти размеры непосредственно в дизеле нельзя из-за ограниченных габаритов тепловоза. Где же выход?
Тепловоз в отличие от теплохода окружен только воздухом. Очевидно, окружающий воздух и есть та единственная среда, которая может окончательно поглотить тепло от нагревающихся деталей дизеля. Вот почему дизельный локомотив должен иметь устройство, отдающее в конечном счете тепло воздуху. Такое устройство, в котором тепло передается от среды, имеющей более высокую температуру, к среде с более низкой температурой, называется теплообменником.
На тепловозах проблема охлаждения  деталей  дизеля  разрешена    благодаря применению специальных теплообменников-холодильников, находящихся вне дизеля. Но воздух плохой теплоноситель. Поэтому приходится увеличивать (развивать) наружную поверхность холодильника. Чтобы понять, как это достигается, обратимся к рис. 94, где показаны две одинаковые трубки, которые отличаются между собой только тем, что одна из них (справа) снабжена тонкими пластинами (ребрами), расположенными поперечно к цилиндру. Благодаря этим ребрам наружная поверхность цилиндра, с которой тепло переходит в окружающий воздух, увеличивается в несколько раз. В этом и заключается смысл и значение оребрения.

Рис. 94. а - с гладкой; б - с оребренной поверхностью

Холодильник тепловоза состоит из так  называемых   секций (рис. 95), каждая  из  которых представляет  собой комплект плоскоовальных трубок малого сечения (рис. 96).

Рис. 95. Водяная секция

Чтобы получить более развитую  поверхность охлаждения,  на  трубки  по всей высоте нанизаны поперечные тонкие пластины (ребра).  Трубки установлены  в  шахматном   или   коридорном  порядке   на определенном расстоянии друг от друга. Они изготовлены из латуни  (сплава  меди  с цинком).    Концы  трубок вставлены и припаяны соответственно к верхней  и  нижней  трубным решеткам. К бортам трубных решеток приварены крышки,    которые    образуют вместе с решетками трубные коробки, называемые коллекторами. Чтобы обеспечить   высокую     теплопроводность, пластины  изготовлены    из  меди,  но медь — дефицитный материал.  Стремление уменьшить его расход и снизить   массу  холодильника   привело  к уменьшению    толщины    пластин    до 0,08—0,1 мм. Именно такие пластины, разделенные между собой узкими промежутками (2,3 мм), позволяют увеличить общую наружную поверхность охлаждения одной секции до значительных размеров (29—30 м2) и в то же время придать трубкам нужную жесткость. Всего на трубки одной водяной секции холодильника тепловоза 2ТЭ10В надето 1040 пластин. Водяная секция имеет 68 рабочих трубок,   по  которым   проходит вода.

Рис. 96. Плоскоовальная форма трубок, округленных тонкими пластинами

Для снижения аэродинамического сопротивления секций холодильника трубки делают обтекаемой плоскоовальной формы (см. рис. 95 и 96). Чем больше поверхность плоскоовальиых оребренных трубок в секции и чем больше секций в холодильнике, тем больше и поверхность охлаждения. Например, общая омываемая воздухом поверхность секций для охлаждения воды дизеля тепловоза 2ТЭ10В доходит до 547 м2. Если же к этому добавить еще поверхность водяных секций, охлаждающих воду, которая используется для отвода тепла от масла (в теплообменнике) и наддувочного воздуха дизеля (в охладителе), то общая поверхность, омываемая воздухом, достигнет 1602 м2.
Итак, необходимая по размерам очень развитая наружная поверхность охлаждения находится вне дизеля. Как же передать ей тепло от поверхности наиболее нагретых деталей, как перенести это тепло в другое место? Теплоносителями, т. е. переносчиками тепла, служат вода и масло, осуществляющие постоянную связь между дизелем и холодильником.
Вода и масло омывают поверхности  нагревающихся деталей дизеля  и, отбирая тепло, нагреваются сами. Именно эти жидкости -теплоносители нуждаются в охлаждении. На всех тепловозах горячая вода охлаждается атмосферным воздухом в водяных секциях холодильника. Отвод тепла от секций будет интенсивнее, если их принудительно обдувать воздухом от вентилятора, подобно тому, как мы это делаем в жаркий летний день с помощью веера или настольного вентилятора. Для этой цели воздух, засасываемый одним или несколькими вентиляторами, прогоняется через секции холодильника и выбрасывается наружу. Скорость воздуха, проходящего через секции, достигает 8— 10 м/с. Чем больше скорость воздуха, тем эффективнее передается тепло. Количество тепла, отдаваемого секциями, зависит и от температуры воды. Чтобы уменьшить размеры тепловозного холодильника, температуру воды, охлаждающей дизель, повышают до 80—95° С, а при закрытых системах охлаждения даже до 105—110°С. Закрытыми называют такие системы охлаждения, в которых вода находится под избыточным давлением, предупреждающим ее кипение при температурах более 100°С. Подача воды к секциям и обратно в дизель осуществляется насосами. Почему?
Движение жидкости по замкнутому трубопроводу называется циркуляцией. Различают циркуляцию естественную и принудительную. Если налить в сосуд любой формы (рис. 97) жидкость и начать ее подогревать, то жидкость в сосуде будет непрерывно перемещаться.

Рис. 97. Схема циркуляции воды в открытом сосуде

Так как горячая жидкость легче холодной,  то  подогретые снизу частицы ее будут подниматься, а на их место сверху поступит более холодная жидкость. Такое движение жидкости называется естественной циркуляцией. Но при естественной циркуляции жидкость движется медленно. Это не обеспечивает интенсивного отвода тепла от дизеля.
Чтобы ускорить циркуляцию и тем самым увеличить отвод тепла, на каждый дизель устанавливают насосы, которые принудительно перемещают охлаждающую жидкость с определенной скоростью. Описанная замкнутая система охлаждения дает возможность иметь сравнительно небольшое количество воды в системах охлаждения. А для тепловозов это очень важно, так как позволяет уменьшить массу и габариты устройств системы охлаждения. Поэтому на всех тепловозах применяются только замкнутые системы, в которых вода добавляется лишь для восполнения утечек- и испарения.
Система охлаждения одного дизеля 10Д100 на тепловозе 2ТЭ10В вмещает 1450 кг воды.

КАК ВОДА ОХЛАЖДАЕТ ДЕТАЛИ ДИЗЕЛЯ?

Безаварийная и экономичная работа тепловоза окажется невозможной, если в системе охлаждения будет циркулировать вода, по своему качеству не отвечающая определенным требованиям.
Природные воды, как правило, не годятся для охлаждения дизеля, так как они содержат механические примеси (частицы глины, песка) и растворенные соли. В среднем 1 т природной воды имеет 300—500 г примесей. Такая вода вызывает коррозию металла, отложения накипи и шлама на охлаждаемых поверхностях цилиндровых втулок, крышек и других деталей.
Коррозия разрушает детали дизеля, а накипь и шлам затрудняют передачу тепла от металла к воде. Это вызывает перегрев деталей, повреждения и более интенсивный износ их, снижает экономичность дизеля. Необходимо, чтобы вода для системы охлаждения дизеля имела незначительное количество солей, была свободна от взвешенных веществ и содержала противокоррозионные присадки, в качестве которых применяются растворы некоторых химических соединений (нитрит натрия, жидкое стекло, каустическая сода и тринатрийфосфат).
В связи с этим для охлаждения дизелей тепловозов применяется конденсат определенной жесткости, получаемый при охлаждении отработавшего пара любой котельной установки с добавлением присадок.
Расход тепловозами воды в эксплуатации на испарение и утечки составляет 5—7 л на 100 км пробега.
Проследим путь воды в водяной системе тепловоза (рис. 98).

Рис. 98 Упрощенная схема водяной системы

Когда начинает работать дизель, сразу же приходит в действие и водяной насос, так как он связан с коленчатым валом шестеренной передачей. При вращении рабочего колеса насоса охлажденная в холодильнике вода центробежной силой (поэтому насос называется центробежным) отбрасывается к стенкам корпуса насоса, откуда по трубе нагнетается к дизелю. Охлаждая детали дизеля, вода нагревается и поступает в водяные секции холодильника. Здесь температура воды снижается на 2—10°С в зависимости от нагрузки дизеля и режима работы вентилятора. Охлажденная вода снова возвращается к насосу и дизелю.
Проследим теперь более подробно путь воды в водяной системе дизеля тепловоза 2ТЭ10Л (рис. 99).

Начнем с того, что вода, нагнетаемая центробежным насосом, при давлении 0,314 МПа  (3,2 кгс/см2) на номинальном режиме работы дизеля 10Д100, т. е. при 850 об/мин коленчатого вала, попадает в водяные полости двух выпускных патрубков. Отсюда она проходит в водяные полости правого и левого выпускных (газовых) коллекторов, расположенных с двух сторон дизеля 10Д 100, и далее в охлаждающие полости выпускных коробок (рис. 100). Через переходные патрубки вода направляется в водяные рубашки всех десяти цилиндровых втулок дизеля. Каждая втулка охлаждается водой в средней части. Верхняя часть втулки, находящаяся в отсеке воздушного ресивера, нагревается меньше, поэтому водяного охлаждения не имеет, а охлаждается наддувочным воздухом.

Рис. 100. Схема охлаждения втулки цилиндра дизеля и коллектора

Охладив стенки указанных деталей, вода нагревается и поступает в отводящий водяной коллектор, расположенный вдоль дизеля. Из этого коллектора горячая вода направляется по трубопроводу к верхнему коллектору (см. рис. 99) холодильника и поступает во множество плоских трубок водяных секций (см. рис. 95), разделяясь, таким образом, на тонкие струйки. Проходя секции сверху вниз, вода через стенки трубок и пластины отдает тепло потоку воздуха, который их обдувает. Охлажденная вода из трубок секций попадает в нижний коллектор холодильника и по трубе снова засасывается водяным насосом для охлаждения деталей дизеля.
Самой верхней частью системы охлаждения является расширительный бачок, который наполнен водой. Обычно его устанавливают под крышей кузова тепловоза, т. е. выше дизеля и водяных секций. Благодаря такому расположению водяная система всегда заполнена водой; кроме того, пополняются возможные утечки и испарения из системы и компенсируется изменение объема воды при ее нагревании.
Итак, в описанной схеме вода, охлаждая детали дизеля, отдает свое тепло атмосферному воздуху, прогоняемому вентилятором через водяные секции тепловозного холодильника: она совершает замкнутый путь по одному кругу, или, как принято говорить, по одному контуру (см. рис. 98). Кроме того, в водяной системе есть трубопроводы небольшого диаметра для циркуляции воды через вентиляционно-отопительный агрегат (см. рис. 99), топливоподогреватель, терморегулятор гидропривода вентилятора, а также для отвода воздуха и пара в расширительный бачок.

ЧЕМ ОХЛАЖДАТЬ МАСЛО?

На первый взгляд целесообразно использовать для этого атмосферный воздух, подобно тому как охлаждается вода. Так оно и осуществлено на тепловозах старой постройки (ТЭЗ, ТЭ2, ТЭ1), у которых масляные секции устроены аналогично водяным секциям. Отличие в том, что в водяных секциях трубки размещены в шахматном порядке, в то время как масляные секции имеют коридорное расположение трубок. Масляные секции отличаются от водяных также количеством трубок (их больше) и поперечными размерами трубок (они увеличены). Сделано это для того, чтобы облегчить проход по трубкам более вязкого (по сравнению с водой) дизельного масла. При движении по трубкам секций горячее масло, обдуваемое атмосферным воздухом, охлаждается на 4—12°С. Пройдя масляные секции холодильника (рис. 101), оно возвращается охлажденным к трущимся деталям дизеля. Однако на новых тепловозах от охлаждения масла воздухом отказались. Почему?

Рис. 101. Схема масляной системы тепловоза

В трубках обычных масляных секций частицы масла движутся параллельно друг другу, не перемешиваясь между собой. Это объясняется тем, что масло имеет высокую вязкость и низкую скорость течения в трубках (около 0,25 м/с). Именно поэтому тепло от масла к стенке трубки передается плохо, примерно в 50—100 раз хуже, чем тепло от воды.
Соответственно и размеры масляного холодильника получаются в несколько раз больше, чем водяного, при одинаковой их теплоотдаче. Второй крупный недостаток масляных секций — низкая эксплуатационная надежность. Давление масла в секциях достаточно высокое — до 0,588 МПа (6 кгс/см2) при работе дизеля и достигает даже 0,98 МПа (10 кгс/см2) при пуске холодного дизеля [в водяных секциях внутреннее давление не превышает 0,147 МПа (1,5 кгс/см2)]. Само же масло из-за большой вязкости и малой скорости течения в трубках часто зимой застывает, вызывая температурные деформации трубок.
Высокие внутренние давления, температурные деформации трубок приводят к появлению трещин в их стенках и к течи масла. Как увеличить теплоотдачу? Надо повысить скорость перемещения масла в трубках. Тогда частицы масла придут в беспорядочное движение, будут перемешиваться между собой, завихряться. А в результате сильно увеличится теплоотдача и можно будет уменьшить число масляных секций, а значит, получить экономию меди. К сожалению, достигнуть высоких скоростей масла из-за большой вязкости его практически невозможно: очень возрастают сопротивления. Где же выход? Инженеры дали такой ответ на этот вопрос. Нужно вызвать искусственное завихрение (турбулизацию) потока. Для этого внутри трубок (рис. 102) укрепляют специальные вставки, напоминающие решетки (турбулизаторы). При наличии таких вставок-решеток частицы масла даже при небольшой скорости (0,2—0,3 м/с) будут интенсивно перемешиваться, что приведет к большему (в 2,5—3 раза) теплообмену по сравнению, с теплообменом без перемешивания частиц масла между собой (без турбулизаторов).

Рис. 102. Трубка со вставками-турболизаторами

Такие холодильники устанавливались на тепловозах ТЭ10, на первых тепловозах ТЭП60, 2ТЭ10Л и опытных тепловозах ТЭЗ и позволили снизить расход меди на 1,5 т на тепловоз. Однако сложность изготовления, а главное, низкая эксплуатационная надежность и трудность очистки при ремонте побудили прекратить производство секций с турбулизацией потока масла. Конструкторы в поисках решения проблемы повышения надежности сокращали в зимних условиях количество включенных масляных секций, пробовали подогревать воздух перед фронтом холодильника и проводили другие мероприятия. Однако наиболее перспективным оказался водомасляный теплообменник.

ВОДОМАСЛЯНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Такой теплообменник получает все большее распространение на тепловозах. Дело в том, что интенсивность передачи тепла от масла к воде намного выше, чем от масла к воздуху. Благодаря этому водяной теплообменник компактнее и легче, чем воздушный. Замена 2880 медных оребренных трубок (тепловоз ТЭЗ) компактным теплообменником позволяет, кроме того, сэкономить значительное количество цветного металла. А раз так, то можно увеличить толщину трубок до 1 мм (толщина трубок в водяной секции 0,55 мм), т. е. повысить прочность и надежность водомасляного теплообменника. Если к этому добавить, что температура атмосферного воздуха в нашей стране колеблется в очень широком диапазоне (от +45 до — 55°С), а сам воздух, охлаждающий секции, нагревается, то станет ясно, что масловоздушные секции работают в неблагоприятных температурных условиях, что приводит к деформациям трубок и повреждению секций.
Где размещают водомасляный теплообменник, видно на рис. 103.

Рис. 103. Схема размещения водомасляного теплообменника

Охлаждающая вода проходит внутри вертикальных трубок (рис. 104), укрепленных в отверстиях верхней и нижней досок (решеток), а масляный поток направляется поперек этих трубок и при этом делает несколько поворотов (от одной стороны корпуса теплообменника к другой), так как вынужден огибать лабиринт из поперечных перегородок. Встречая на своем пути трубки с водой, масло отдает им часть тепла.
Итак, водомасляный теплообменник обладает хорошими качествами. Но масло и вода — враги. Если вода проникнет в масло, оно потеряет смазочные качества; если масло просочится в воду, произойдет замасливание охлаждаемых поверхностей цилиндровых втулок, крышек цилиндров дизеля, внутренних поверхностей трубок холодильника. Детали дизеля, окутанные масляной пленкой, плохо проводящей тепло, будут охлаждаться недостаточно и могут выйти из строя из-за чрезмерного перегревания. Этому будет способствовать и перегрев воды, плохо охлаждающейся в замасленном холодильнике. Чтобы этого не случилось, трубки должны быть соединены с решетками не только прочно, но, что особенно важно, герметично: технологам приходится решать сложную задачу.

Рис. 104. Схема устройства и работы водомасляного теплообменника

Вот почему концы трубок не только развальцовывают в отверстиях трубных решеток, но и припаивают к ним посредством погружения в расплавленный припой. В теплообменнике неподвижно устанавливают только одну трубную решетку. Вторая трубная решетка, к которой присоединены противоположные концы трубок, может свободно перемещаться относительно корпуса теплообменника. Изменение температуры не мешает трубкам свободно расширяться или сжиматься. Поэтому они не испытывают температурных напряжений, которые так пагубно сказываются на масловоздушных секциях.
Для охлаждения воды, используемой в свою очередь для отвода тепла от масла, применяют специальный водовоздушный холодильник. Естественно, это несколько усложняет оборудование тепловоза. Однако эта проблема решается наиболее просто, если применять на тепловозах дизели, которые могут надежно работать при повышенных температурах масла (до 95 — 100°С).
В этом случае масло охлаждается водой из системы охлаждения дизеля, поэтому отпадает необходимость в применении отдельного водовоздушного холодильника тепловоза. Например, на тепловозах ТГ102 водовоздушные холодильники служат лишь для охлаждения воды дизелей. Эта же вода пропускается через водомасляные холодильники дизеля и гидропередачи и охлаждает в них масло. Система водяного охлаждения имеет всего один контур и соответственно один насос.
Опыт эксплуатации тепловозов с водомасляными теплообменниками показал их высокую надежность.
Принципиальная схема охлаждения масла с трубчатым теплообменником показана на рис. 105.

ЧЕМ ОХЛАЖДАТЬ НАДДУВОЧНЫЙ    ВОЗДУХ?

Почему надо охлаждать наддувочный воздух, говорилось выше.  Значит, без теплообменника -воздухоохладителя не обойтись.  На  мощных дизелях, таких, как  10Д100, 11Д45, Д49, Д70  и др.,  наддувочный воздух охлаждается водой. Водовоздушные теплообменники   различаются по   конструкции и эффективности теплопередачи.  Но принцип действия их схож. Рассмотрим    принципиальную схему охлаждения наддувочного воздуха на примере дизеля  11Д45А  (рис.   106).

Рис. 105. Схема охлаждения масла с трубчатым водомасляным теплообменником

Водяной  насос    заставляет    воду циркулировать внутри трубок воздухоохладителя, расположенных в шахматном  порядке.  Снаружи оребренные пучки трубок омываются потоком горячего наддувочного воздуха давлением 0,147 - 0,196 МПа  (1,5—2 кгс/см2), поступающего  от  турбонагнетателя (I  ступень    наддува). Наддувочный воздух отдает часть своего тепла воде. Затем охлажденный наддувочный воздух поступает в центробежный    приводной  нагнетатель   (II  ступень  наддува), в котором давление воздуха дополнительно  повышается  еще    на 0,029—0,049  МПа   (0,3—0,5   кгс/см2). Далее сжатый воздух направляется в цилиндры дизеля. А что с водой? Вода, охлаждающая наддувочный   воздух, в свою очередь охлаждается атмосферным  воздухом  в  водяных  секциях, которые  установлены  в  общем холодильнике тепловоза. Нетрудно догадаться, что при таком способе охлаждения наддувочного воздуха несколько увеличивается общая масса тепловоза. Поэтому конструкторы заинтересованы в компактном, относительно легком и в то же время эффективном охладителе наддувочного воздуха. Это тем более важно, что тепловозостроители увеличивают мощность тепловозов в одной секции.

Рис. 106. Схема охлаждения наддувочного воздуха дизеля 11Д45А

Как же упростить задачу и избавиться от водовоздушного холодильника больших размеров?
Создатели самого мощного в мире пассажирского тепловоза ТЭП75 [один дизель обладает мощностью 4400 кВт (6000 л. с.)], построенного Коломенским тепловозостроительным заводом, решили эту важную задачу так. Они расположили в кузове тепловоза легкие алюминиевые секции особой конструкции. В этих секциях наддувочный воздух охлаждается не водой, а непосредственно атмосферным воздухом (прогоняемым вентилятором), температура которого значительно ниже температуры наддувочного воздуха. В результате удалось не только снизить массу и уменьшить габариты теплообменника, но и сократить расход энергии на охлаждение наддувочного воздуха дизеля. Опытный тепловоз ТЭП75 сейчас проходит испытания. Вернемся, однако, к обычным тепловозам.
Общее представление о «маршруте» воды, охлаждающей наддувочный воздух и масло, дает рис. 107. Приводимый от дизеля (условно это показано штриховой линией) водяной насос нагнетает воду, охлажденную в водяных секциях,  к теплообменнику наддувочного воздуха; охладив этот нагревшийся при сжатии воздух, вода направляется для охлаждения масла. Из водомасляного теплообменника она по трубопроводу проходит в водяные секции холодильника тепловоза. Охлажденная вода снова возвращается к насосу.

Рис. 107. Схема второго контура водяной системы тепловоза

Таким образом, на тепловозах 2ТЭ10Л, 2ТЭ10В, ТЭП60, ТЭП70, 2ТЭ116 имеется также наряду с первым контуром второй отдельный контур. В первом контуре вода отводит тепло от деталей дизеля, а во втором контуре —от наддувочного воздуха и горячего масла (если тепловоз оборудован водомасляным теплообменником).
Сама же вода как из первого, так и второго контура охлаждается в водовоздушных секциях холодильника тепловоза. Такая водяная система получила название двухконтурной.
Может возникнуть вопрос: зачем понадобился второй контур? Для того чтобы поддерживать в нем более низкую, чем в первом контуре, температуру воды (40 — 65°С). Благодаря этому удается понизить температуру наддувочного воздуха и масла, а значит, повысить надежность работы деталей и узлов тепловозных дизелей. Более глубокое охлаждение наддувочного воздуха позволяет, кроме того, улучшить сгорание топлива в цилиндрах и несколько повысить экономичность тепловозных дизелей.

СХЕМА ВНУТРЕННЕЙ МАСЛЯНОЙ СИСТЕМЫ ДИЗЕЛЯ

В дизеле тепловоза очень много трущихся деталей, совершающих как вращательное, так и поступательное движение. Любопытно, что на преодоление сил трения в современном форсированном дизеле затрачивается примерно пятая часть развиваемой в цилиндрах мощности. Трение называется жидкостным (рис. 108), если между трущимися поверхностями имеется слой смазки, которая не позволяет микроскопическим неровностям деталей задевать друг за друга.

Рис. 108. Схема жидкостного трения

Если слой смазки недостаточен, то он не в состоянии полностью отделить соприкасающиеся поверхности. В этом случае в местах наибольшего сближения их масляная пленка разрывается, и трение становится полусухим. Полусухое трение появляется, например, между шейками коленчатого вала и подшипниками при пуске дизеля, так как при неподвижном состоянии вала масло выдавливается из подшипников. Все трущиеся детали дизеля смазываются во время работы непрерывно. Подача смазки к каждому узлу производится по трубкам, ответвляющимся от основного маслопровода, называемого масляным коллектором. Масло подается к местам трения под давлением в несколько атмосфер. Масляный насос приводится от коленчатого вала через систему зубчатых колес.
Масло используется не только для снижения трения в дизеле, но и для охлаждения таких деталей, от которых отводить тепло водой трудно: это поршни, подшипники коленчатого вала и др. После того как масло пройдет через места смазки деталей дизеля и охладит поршни, оно стекает в поддон,   являющийся   сборником    масла.
Проследим путь масла внутри дизеля тепловоза 2ТЭ10В (рис. 109).

Рис. 109. Схема циркуляции масла внутри дизеля

Охлажденное масло подается одновременно в нижний масляный коллектор, расположенный в отсеке нижнего коленчатого вала, и в верхний масляный коллектор, размещенный в отсеке верхнего коленчатого вала. Это сделано для того, чтобы равномернее распределить масло между подшипниками верхнего и нижнего коленчатых валов, а также для того, чтобы улучшить охлаждение верхних поршней. От нижнего коллектора дизеля оно подается по трубкам к коренным подшипникам нижнего вала. Отсюда по внутренним каналам вала масло проходит к шатунным подшипникам коленчатого вала. Часть масла поступает к подшипникам верхних головок  шатунов    и    на  охлаждение поршней. Для этого внутри стержня каждого шатуна сделаны сквозные каналы (сверления) от одной головки шатуна до другой. Поступающее из шатуна масло омывает внутреннюю полость поршня, проходя со скоростью до 1 м/с по каналам, сделанным в головке поршня. Смазав детали нижнего шатунно-кривошипного механизма и охладив головки поршней, масло, как уже знает читатель, стекает в поддон, откуда снова засасывается насосом.
От верхнего масляного коллектора дизеля масло поступает к деталям верхнего шатунно-кривошипного механизма точно так же, как в отсеке нижнего коленчатого вала. Кроме того, от верхнего коллектора отводится смазка и к подшипникам, кулачковых валов топливных насосов; через просверленные внутри вала внутренние каналы она подводится к остальным подшипникам и приводным шестерням этих валов. Сделаны также отводы к другим трущимся деталям, нуждающимся в смазке: к зубьям конических шестерен вертикальной передачи, подшипникам нижнего и верхнего валов этой передачи. Специальные подводы смазки имеются к приводу насосов и другим узлам.
Мы ознакомились с непрерывной подачей смазки под давлением к основным местам трения в дизеле во время его работы. Наряду с этим в тепловозных дизелях отдельные детали смазываются разбрызгиванием. Разбрызгивают масло шатунно-кривошипный механизм, шестерни, приводящие во вращение кулачковые валы топливных насосов, и другие движущиеся детали. При этом образуется масляный туман. Брызги масла попадают на механизм системы управления и шестерни привода регулятора частоты вращения вала дизеля  и  смазывают  их.
В виде капель масло, вытекающее из шатунных подшипников коленчатого вала, попадает на стенки втулок цилиндров и смазывает их, образуя масляную пленку.

СХЕМА ВНЕШНЕЙ МАСЛЯНОЙ СИСТЕМЫ  ДИЗЕЛЯ

Ознакомимся с этой схемой (рис. 110) на примере дизеля 10Д100. Горячее масло из поддона (ванны) нагнетается под давлением 0,3—0,6 МПа (3—6 кгс/см2) шестеренным насосом в водомасляный теплообменник. Схема работы масляного насоса ясна из рис. 111. Подача (производительность) его составляет 120 м3/ч при частоте вращения коленчатого вала дизеля 850 об/мин.

Рис. 110. Схема внешней масляной системы дизеля

Охлажденное в теплообменнике масло возвращается в дизель и по внутренней масляной системе поступает ко всем трущимся поверхностям деталей, а также к поршням дизеля для их охлаждения. Масло, прошедшее через дизель, стекает в поддон. Для очистки масла применяются фильтры (о том, как устроены и работают фильтры, мы узнаем в гл. 10). По пути из теплообменника в дизель масло проходит через фильтр грубой очистки. Это основной контур внешней масляной системы. Часть горячего масла (5—6% всей подачи) после насоса отводится не к теплообменнику, а к фильтру тонкой очистки. Очищенное в этом фильтре масло возвращается, как это видно из рисунка, в поддон дизеля.

Рис. 111. Схема работы масляного шестеренного насоса

Есть и дополнительные контуры. Перед пуском дизеля в его масляную систему в течение 90 с (предварительно) нагнетают масло. Почему 90 с? 90 с — время, достаточное для того, чтобы масло дошло до всех трущихся деталей (подшипников и т. п.). Это не только уменьшает их износ, но и облегчает начало вращения (раскрутку) коленчатого вала. При прокачивании масло циркулирует по маршруту: поддон дизеля — маслопрокачивающий насос — невозвратный клапан — фильтр грубой очистки — внутренняя масляная система дизеля — поддон дизеля. Во внешней масляной системе имеется еще контур циркуляции для очистки масла в центробежном фильтре: поддон дизеля — масляный насос центробежного фильтра— разгрузочный (перепускной) клапан— центробежный фильтр — поддон дизеля. Если давление масла после насоса превысит допустимое, разгрузочный клапан откроется и пропустит часть масла в основной контур. На тепловозах имеются также дополнительные контуры, которые обеспечивают подачу масла к вспомогательным механизмам тепловозов: в гидропривод вентилятора холодильника, в передний и задний распределительные редукторы. Масло из них сливается в поддон дизеля. Если по какой-либо причине давление масла, идущего к дизелю, сильно упадет, или масло перегреется, или, что еще хуже, подача его внезапно прекратится,   аварии    не  произойдет, так как масляная система оборудована автоматическими устройствами (реле), которые остановят дизель. Кроме того, за работой системы неотступно следят измерительные приборы.

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Температура охлаждающих жидкостей на современных тепловозах регулируется автоматически, без участия машиниста. Машинист во время движения поезда по приборам на пульте управления контролирует температурное состояние дизеля. Систему авторегулирования температурного режима дизеля, сокращенно называемую САРТ, образует комплекс устройств, главные из которых: устройство для изменения частоты вращения вентилятора холодильника, например гидромуфта переменного наполнения, электродвигатель, гидромотор, терморегуляторы, реле управления жалюзи и др. САРТ — это глаза и руки машиниста. САРТ непрерывно, словно автоматический  диспетчер,  следит  за температурой охлаждающих жидкостей. Если температура воды и масла возрастает и подходит к установленному пределу, САРТ плавно, без вмешательства машиниста увеличивает частоту вращения колеса вентилятора. Как это достигается, мы узнаем после краткого ознакомления с устройством вентилятора и его привода.

Рис. 112. Восьмилопастное колесо осевого вентилятора

Вентилятор представляет собой колесо с лопастями (рис. 112). Главная задача вентилятора — прогнать через секции холодильника как можно больше воздуха и при этом затратить как можно меньше мощности. Все же на привод вентилятора современного тепловоза расходуется от 3 до 5% мощности дизеля. Например, на тепловозе 2ТЭ10В при наибольшей частоте вращения вала привод вентилятора потребляет около 140 кВт (190 л. с). Какова же максимальная подача (производительность) вентилятора? Она измеряется сотнями тысяч кубических метров воздуха (для секции тепловоза 2ТЭ10В — 240 000 м3/ч).
Чтобы обеспечить такую высокую производительность, вентиляторное колесо обычного центробежного вентилятора должно быть большого диаметра. В габаритах тепловоза разместить его трудно. Как же быть? Оказывается, для условий работы на тепловозе хорошо подходит осевой вентилятор. Поток воздуха, нагнетаемого таким вентилятором, направлен вдоль его оси подобно воздушному винту самолета. Осевой вентилятор удается удобно расположить в стесненных габаритах тепловоза, обычно его устанавливают в крыше тепловоза.

Рис. 113. Автоматический привод вентилятора холодильника тепловоза 2ТЭ10Л

Вот почему почти на всех тепловозах применяются только осевые вентиляторы. Диаметр колеса вентилятора достигает, например на тепловозе 2ТЭ10Л, 2 м, а максимальная частота вращения 1160 об/мин.
У привода вентилятора холодильника (рис. 113) прежде всего бросается в глаза длинный валопровод (около 4 м). На тепловозах вентилятор холодильника расположен далеко от дизеля, от которого он приводится во вращение. Одним концом валопровод соединен с нижним коленчатым валом дизеля, а другим — с гидроприводом вентилятора. Мощность от вала дизеля к вентилятору холодильника передается через распределительный редуктор. Этот редуктор передает мощность для привода трех потребителей: вентилятора холодильника, подвозбудителя и вентилятора охлаждения тяговых электродвигателей задней тележки.
Чтобы при пуске дизеля или резких изменениях частоты вращения коленчатого вала оградить приводы этих агрегатов от ударной нагрузки, распределительный редуктор имеет гидромуфту, почему он и называется гидромеханическим.
На тепловозах 2ТЭ10В н 2ТЭ10Л частота вращения вентиляторного колеса изменяется (регулируется) не ступенчато, а плавно и непрерывно с помощью так называемой гидродинамической муфты переменного наполнения маслом. Вместе с конической зубчатой передачей она образует гидропривод вентилятора, размещаемый в общем корпусе (см. рис. 113). Гидромуфта состоит из насосного и турбинного колес, заполняемых маслом из системы смазки дизеля.
Всегда ли вентилятор должен работать с наибольшей частотой вращения? Очевидно, нет. Все зависит от наружной температуры воздуха и нагрузки дизеля. Палящая жара и январские морозы, а также изменения мощности дизеля вызывают необходимость регулировать в широких пределах количество воздуха, прогоняемого через секции холодильника, а то и вовсе выключать вентилятор.
Количество воздуха, просасываемого вентилятором через холодильник, зависит от частоты вращения вентилятора и положения створок жалюзи. Жалюзи представляют собой заслонки, которые могут поворачиваться вокруг своей продольной оси и изменять сечение для прохода воздуха. Боковые жалюзи установлены снаружи секций холодильника (рис. 114), а верхние — над вентиляторным колесом. Для предупреждения чрезмерного охлаждения воды и масла в секциях в зимний период поверх боковых жалюзи приходится навешивать специальные чехлы.

Рис. 114. Поперечный разрез шахты холодильника

Управление жалюзи и гидромуфтой вентилятора автоматизировано. Есть такое воскообразное вещество — церезин. Одно из его свойств — способность в определенном диапазоне температур плавиться и, как следствие, значительно расширяться в объеме. Например, при повышении температуры церезина от 50 до 80°С объем его увеличивается на 14—15%? Конструкторы решили воспользоваться этим свойством церезина и наполняют им датчики, которые «командуют» частотой вращения колеса вентилятора и открытием жалюзи. Задача решается относительно просто. Баллончик, плотно закрытый с одного конца (на тепловозе 2ТЭ10В он имеет вид змеевика), заполняют церезином (рис. 115). Размещают баллончик так, чтобы его омывала горячая жидкость. Как только температура воды или масла достигает установленного предела, церезин плавится, расширяется в объеме и начинает перемещать резиновую пробку, поршень со штоком и, преодолевая усилие пружины, толкатель. На этом командные функции термобаллончика заканчиваются.

Рис. 115. Схема устройства терморегулятора привода жалюзи

Шток перемещает кулачок, который с помощью рычажков замыкает различного назначения микровыключатели. Собираются электрические цепи  включения  электропневматических вентилей, автоматически открываются створки соответствующих жалюзи (боковые или верхние). Если температура воды продолжает повышаться, то шток термобаллона воздействует (посредством золотника и других деталей) на серводвигатель, который с помощью гидромуфты плавно и непрерывно увеличивает частоту вращения колеса вентилятора.
При понижении температуры воды и масла, а также температуры окружающей среды процесс автоматического регулирования происходит в обратном порядке. Таков принцип действия   системы САРТ  на     тепловозах 2ТЭ10Л и 2ТЭ10В. На других тепловозах, в частности ТЭП60, ТЭП70 и ТЭП75, терморегуляторы имеют другую конструкцию. С их помощью изменяется расход масла, поступающего к гидродвигателям, которые приводят во вращение вентиляторные колеса холодильника.
Наряду с автоматическим управлением предусмотрено ручное, но им машинисты пользуются только в случае отказа системы САРТ или при сильных боковых ветрах (с пылью, снегопадом, дождем), когда требуется держать закрытыми жалюзи с одной стороны тепловоза и открытыми с другой.

В начало статьи
<< Назад --------------------------------- Дальше >>