Разработка методов и средств повышения эффективности элементов газовоздушного тракта тепловозных дизелей

Статья посвящена разработке мероприятий по повышению эффективности элементов газовоздушного тракта тепловозных дизелей. Основное внимание уделяется разработке электродинамического метода очистки воздушных и газовых сред от твердых загрязнителей. Разработана принципиальная схема устройства очистки отработавших газов тепловоза ТЭМ2.

Ключевые слова: газовоздушный тракт, электродинамический метод очистки, ионизация, дизель, циклон-электрофильтр.

Состояние локомотивного парка железнодорожного транспорта характеризуется удельным количеством отказов оборудования различных систем и узлов тепловозов, которое варьируется в широких пределах как по тепловозу в целом, так и по видам оборудования систем и узлов. Наибольшее количество отказов приходится на дизель. А ведь от технического состояния различных его узлов в значительной степени зависит расход топлива тепловозом. Например, некачественная очистка атмосферного воздуха на входе в турбокомпрессор приводит к снижению производительности турбокомпрессора и закоксовыванию лопаток турбины, что в следствии вызывает неустойчивую работу дизеля. На железных дорогах Российской Федерации тепловозы работают в различных климатических условиях, подвергаются действию солнечной радиации, изменению температуры и влажности воздуха, атмосферных осадков, пылевых загрязнений,. В процессе эксплуатации на элементы газовоздушного тракта дизеля тепловоза работает в условиях интенсивных вибраций, ударных воздействий и в широком диапазоне нагрузок. Таким образом, газовоздушная система должна обеспечить сохранение всех параметров в течение предусмотренных сроков службы при воздействии этих факторов.

На рис. 1 приведена динамика изменения неисправностей основных узлов и систем тепловозных дизелей за период 2008–2012 г.г.

Анализ данных приведенных на рис. 1 позволяет сделать вывод о том, что ситуация с надежностью работы элементов газовоздушного тракта остается без существенных изменений.

Рис. 1. Динамика изменения неисправностей основных узлов и систем тепловозных дизелей за период 2008–2012 г.г.

Состояние дизеля оказывает значительное влияние на эксплуатационные расходы топлива. Как показывает практика, повышение эффективности работы элементов газовоздушношного тракта позволяет снизить удельный расход топлива на 1–2 %. К числу основных причин, ухудшающих надежность и экономичность работы дизеля в эксплуатации, относится некачественная очистка атмосферного воздуха на входе в турбокомпрессор. Таким образом, с целью предотвращения порч и заходов тепловозов на неплановые ремонты необходимо разработать комплекс мероприятий по повышению эффективности работы элементов газовоздушного тракта дизеля.

Предлагается реализовать следующие мероприятия:

1.         Очистка воздушного потока на входе в турбокомпрессор от твердых загрязнителей (приводит к уменьшению потерь на фильтре, к понижению давления на входе в турбокомпрессор, к уменьшению износа деталей элементов газовоздушного тракта дизеля, к стабилизации режимов работы системы воздухоснабжения, к повышению производительности турбокомпрессора, что позволит содержать тепловоз в лучшем теплотехническом состоянии и способствует экономии топлива);

2.         Ионизация воздуха на входе в турбокомпрессор (приводит к озонированию воздуха, что способствует более полному сгоранию топлива в цилиндре дизеля и как следствие уменьшению удельного расхода топлива);

3.         Очистка отработавших газов от твердых загрязнителей на выходе из выхлопной трубы (приводит к улучшению экологических показателей тепловозов, позволяет обеспечить требуемый уровень предельно-допустимых концентраций сажи на всех режимах работы тепловоза).

Реализацию мероприятий по повышению эффективности работы элементов газовоздушного тракта тепловозных дизелей можно осуществить с помощью электродинамического метода очистки воздушных и газовых сред. В научно-исследовательской лаборатории «Теплофизические методы контроля и диагностирования локомотивов» кафедры «Локомотивы» Самарского государственного университета путей сообщения было разработано устройство электродинамической очистки. [1, 2].

Устройство представляет собой циклон-электрофильтр. Очистка воздуха (газа) от твердых загрязнителей внутри устройства происходит за счет действия центробежных сил и сил электрического взаимодействия. Внутри устройства реализуется биполярный коронный разряд, под действием которого частицы коагулируют и более эффективно улавливаются.

В лаборатории «Локомотивные энергетические установки» СамГУПСа были проведены экспериментальные исследования опытного образца циклона-электрофильтра [3]. Циклон-электрофильтр работал в качестве устройства очистки отработавших газов экспериментального дизеля Д242. В целом эксперименты показали:

-          Применение циклона-электрофильтра, работающего на биполярном коронном разряде, в качестве устройства очистки отработавших газов дизеля позволяет уменьшить объемную концентрацию сажи в 10,7 раз;

-          При напряжении на коронирующих электрода U = 9 кВ коэффициент коагуляции достигает своего пика: K_k= 1,9.

-          Работа циклона-электрофильтра на напряжении U=9 кВ с запасом обеспечивает предельно-допустимые концентрации сажи на всех эксплуатационных режимах работы дизеля. Степень очистки циклона-электрофильтра работающего на напряжении U=9 кВ держится постоянной не зависимо от режимов работы дизеля;

-          Установка циклона-электрофильтра в выхлопную систему дизеля не влияет на мощность и экономичность работы дизеля.

Таким образом, по результатам проведенных экспериментальных исследований можно сделать вывод о том, что использование электродинамического метода очистки воздушных и газовых сред эффективно для реализации мероприятий по повышению эффективности работы элементов газовоздушного тракта тепловозных дизелей.

Применение электродинамического метода очистки воздуха на входе в турбокомпрессор приводит к уменьшению концентрации твердых частиц в потоке, а также к ионизации воздуха. Таким образом, разработанной конструкцией циклона-электрофильтра реализуется два обозначенных мероприятия повышения эффективности элементов газовоздушного тракта тепловозных дизелей: очистка воздуха на входе в турбокомпрессор и ионизация воздуха.

Для реализации мероприятия по очистке отработавших газов на выходе из выхлопной трубы тепловоза разработана конструкция двухступенчатого циклона-электрофильтра, адаптированного к выхлопной системе тепловоза ТЭМ2 (рис. 2).

Рис. 2 Принципиальная схема устройства очистки отработавших газов тепловоза ТЭМ2.

Разработанное устройство состоит из главного корпуса 1, с осевым входным патрубком 2, кольцевой камеры сбора шлама 3, первого модуля циклонного разделения 4, второго модуля циклонного разделения 5, изоляторов 6, разнополярных коронирующих электродов 7, крышки корпуса 8 с выходным патрубком 9.

Таким образом, крупные частицы улавливаются в первом модуле циклонного разделения 4, который содержит не менее двух одинаковых циклонов цилиндро-конической формы с тангенсальным подводом газа. Далее поток газа идет вверх по ступеням очистки и попадает в циклоны второго модуля разделения 5, который содержит не менее четырех циклонов-электрофильтров с тангенсальным подводом газа. Во втором модуле разделения реализован электродинамический метод очистки. Дополнительно к крышке каждого циклона второго модуля разделения через изоляторы 6 прикреплены не менее четырех разнополярных коронирующих электродов 7. Разнополярные электроды размещены по концентрическим окружностям и их полярность чередуется по ходу движения газа. При подаче высокого постоянного напряжения на электроды 7, между ними создается биполярный коронный разряд. При прохождении газа область биполярного коронного разряда, твердые загрязняющие частицы приобретают положительный и отрицательный заряд вблизи соответствующего электрода. В дальнейшем отрицательно и положительно заряженные частицы двигаются навстречу друг к другу, слипаются и укрупняются. Более крупные частицы легче подвергаются воздействию центробежных сил. Пойманные частицы попадают в кольцевую камеру сбора шлама 3. Степень очистки циклонов второго модуля разделения выше, чем у циклонов первого модуля разделения. Циклоны каждого последующего модуля разделения имеют меньшие размеры и меньший угол развертки чем циклоны предыдущего модуля разделения. Ось циклонов всех модулей разделения может быть как параллельно оси всего устройства, так и находиться под некоторым углом к ней (для компактности конструкции). После прохождения всех модулей циклонного разделения очищенный газ выходит в атмосферу через патрубок 9, размещенный в центре крышки 8 всего устройства.

Литература:

1.         Носырев Д. Я., Свечников А. А. Циклон-электрофильтр // Патент на полезную модель № 117321 по кл. B03С3/15 от 24.11.2011. Опубликовано: 27.06.2012. Бюл. № 18.

2.         Носырев Д. Я., Свечников А. А. // Разработка устройства очистки отработавших газов тепловозного дизеля от твердых загрязнителей // Молодой ученый № 10 (45) / 2012 // Ежемесячный научный журнал // Главный редактор Ахметова Г. Д., 2012 г. — ООО «Издательство Молодой ученый»., — С. 67–69.

3.         Носырев Д. Я., Свечников А. А. // Экспериментальные исследования работы циклона-электрофильтра в качестве устройства очистки отработавших газов тепловозных дизелей // Вестник транспорта Поволжья № 6 (36) // Научный журнал // главный редактор Ковтунов А. В., ноябрь-декабрь 2012 г. — С. 13–20.