Вспомогательное оборудование тепловозных дизелей

ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ предназначено для обеспечения функционирования дизеля при любых режимах работы и условиях эксплуатации локомотива; включает внешние (по отношению к дизелю) топливную, масляную и водяную системы, а также устройства для забора и очистки воздуха и выпуска отработавших газов.

Топливная система

предназначена для подачи дизельного топлива к топливным насосам высокого давления, а также для его хранения, очистки, подогрева перед подачей. Принципиальные схемы топливных систем большинства тепловозов примерно одинаковы (рис. 5.31).

При работающем топливоподкачивающем агрегате, который состоит из электродвигателя постоянного тока и шестеренного насоса, топливо из бака поступает по всасывающей трубе к коллектору, пройдя фильтры грубой и тонкой очистки; от коллектора топливо подводится к топливной аппаратуре высокого давления. Утечки топлива сливаются по трубопроводу в отсек топливного бака. Топливоподкачивающий насос подает в 2,5- 4 раза больше топлива, чем требуется для работы дизеля, обеспечивая при этом устойчивую работу системы и возможность подогрева топлива в холодное время года. Избыток топлива, пройдя подпорный клапан и топливоподогреватель, возвращается в топливный бак по трубопроводу, выходное отверстие которого находится на расстоянии 10—15 мм от входного отверстия всасывающей трубы, что способствует возникновению эжекционного эффекта забора топлива. Подпорный клапан поддерживает давление в топливном коллекторе 0,15 МПа; перепускной клапан, отрегулированный на давление 0,3-0,35 МПа, защищает топливоподкачивающий агрегат от перегрузки. При отказе топливоподкачивающего насоса или его двигателя включается клапан аварийного питания (шарикового типа) вследствие разрежения, создаваемого насосами высокого давления; при этом дизель может работать непродолжительно с ограниченной мощностью. Давление топлива перед фильтром тонкой очистки контролируется манометром, в коллекторе — манометром, оснащенным гасителем пульсаций давления. Топливные баки имеют заливные горловины с предохранительными сетками, топливомерные рейки, вентиляционные трубы, топливомерные стекла, пробки и клапаны для слива топлива и отстоя.

Запас топлива в баке (в кг):

где Q — масса поезда (т); L — пробег между наборами топлива, 800-1000 км; е - расход топлива на тягу поездов, 25-35 кг/104 т-км (брутто). Запасы топлива магистральных тепловозов составляют 5000-7000 кг.

Топливоподкачивающие насосы - шестеренного типа, преимущественно с внутренним зацеплением (рис. 5.32).

Ведущая втулка с внутренним зубчатым венцом приводит ведомую шестерню, находящуюся на оси; серповидный выступ разделяет потоки топлива, заполняющего впадины между зубьями шестерен, при вращении которых по часовой стрелке происходит нагнетание топлива из полости А в полость Б и далее в напорный труборовод. Производительность (одача) толивоподкачивающего насоса в м3/ч:

где k- коэффициент кратности циркуляции 2,5-4; Ne-эффективная мощность дизеля при номинальном режиме в кВт; ge- удельный расход топлива в кг/кВт*ч; ρт- плотность топлива в кг/м3. Производительность топливоподкачивающих насосов тепловозов составляет 1,6-1,8 м3/ч, а их мощность - 0,15-0,8 кВт.

Для грубой очистки топлива применяют фильтры с проволочно-щелевыми фильтрующими элементами, удерживающими частицы механических примесей размером 0,09 мм, а также фильтрующие элементы с набором чечевицеобразных сетчатых дисков (рис. 5.33):

в корпусе фильтра установлен набор сетчатых дисков, закрепленных гайкой на стержне. Топливо проходит от периферии к центру фильтра и очищается, просачиваясь через сетки с ячейками 0,045 мм. Для тонкой очистки топлива используются фильтры с войлочными фильтрующими элементами, удерживающими частицы размером более 20мкм. Более эффективными являются фильтры тонкой очистки с бумажными фильтрующими элементами ФЭТО (рис. 5.34), которые состоят из фильтрующей перегородки, установленной между внутренней и наружной картонными обечайками, соединенными торцовыми крышками. Такие фильтры удерживают частицы размером более 5-6 мкм и обеспечивают пробег локомотива до замены топлива около 50 тыс. км. На тепловозах 2ТЭ116, ТЭП70 применяются фильтры тонкой очистки топлива с фильтрующими элементами на тканевой основе.

Масляная система

предназначена для подачи масла к трущимся поверхностям деталей дизеля и вспомогательных агрегатов, их охлаждения (особенно поршней), отвода тепла от масла и его очистки от продуктов износа и примесей. Масляная система включает масляные насосы, фильтры, охлаждающее устройство, трубопроводы, клапаны, вентили, контрольные приборы, защитную и регулирующую аппаратуру. Масляные системы различают, главным образом, по количеству насосов основного контура циркуляции ( с одним или двумя насосами), числу дополнительных контуров (для прокачивания масла перед пуском дизеля, тонкой очистки масла, центробежного фильтра, смазки вспомогательных механизмов тепловоза), по количеству охладителей масла, по типу конструкции фильтров, по наличию устройств для подогрева масла. Шестеренный масляный насос (рис. 5.35.) основного контура подает нагретое масло из поддона дизеля в водомасляный теплообменник (охладитель масла), затем в фильтр грубой очистки и далее в раздаточные коллекторы дизеля. Для создания в системе давления масла перед пуском дизеля включается маслопрокачивающий насос, приводимый электродвигателем. В этом контуре масло из поддона дизеля подается через обратный клапан к фильтру грубой очистки и далее к коллекторам дизеля. К фильтру тонкой очистки, имеющему невысокую пропускную способность, подводится часть (4-5%) потока нагретого масла, которое после очистки направляется в поддон дизеля. Циркуляция масла в контуре центробежного очистителя (центрифуги) обеспечивается шестеренным насосом. Часть масла, прошедшего грубую очистку, отводится после предохранительного клапана в контур смазки вспомогательных механизмов тепловоза: через редукционные клапаны и соответственно - к переднему и заднему распределительным редукторам и угловому редуктору привода вентилятора холодильника. К гидромуфте переменного наполнения (предназначенной для регулирования частоты вращения вентилятора охлаждающего устройства) масло подводится через запорный клапан, обеспечивающий включение или отключение питания гидромуфты маслом по командам системы автоматического регулирования температуры охлаждающих жидкостей. При отказе запорного клапана гидромуфта заполняется маслом через вентиль.

На тепловозах с четырехтактными дизелями Д49 масляная система более проста и компактна, имеет два главных насоса, включенных последовательно; все основные узлы системы, кроме полнопоточного фильтра тонкой очистки, установлены на дизеле; контур смазки вспомогательных механизмов отсутствует.

Объемный расход, обеспечиваемый насосом основного контура, определяется из уравнения теплового баланса по количеству отводимого от масла тепла (Qм) и разности температур Δtм: Vм = Qм/(cмρмΔtм), где см и ρм - теплоемкость и плотность масла; Δtм составляет 6—10 °С.

Для магистральных тепловозов запасы масла на одну секцию составляют 950-1500 кг, расход главного насоса - 60-130 м3/ч; давление - 0,5-0,6 МПа. Наибольшая допустимая температура масла 85-88 °С, минимальные значения давления: 0,1 МПа (снятие нагрузки) и 0,05 МПа (остановка дизеля).

Водяная система

предназначена для обеспечения замкнутой циркуляции воды между охлаждающим устройством дизеля и водяной полостью дизеля, его агрегатов, охладителей масла и наддувочного воздуха, а также для обогрева кабины машиниста и прогрева основных систем в зимнее время. Водяные системы различают по следующим признакам: типу - открытые (сообщающиеся с атмосферой, температура воды до 96 °С) и закрытые (с избыточным давлением и температурой воды 105-120 °С); числу контуров циркуляции (включающих основные источники тепла - дизель, охладители масла и наддувочного воздуха) - одно-, двух- и трехконтурные. В наиболее простой одноконтурной системе (тепловоз ТЭ109) источники тепла объединены в общий контур циркуляции воды, обслуживаемый одним насосом. Однако в такой системе затруднительно регулирование температуры воды, масла и наддувочного воздуха. В трехконтурной системе каждый источник тепла включен в отдельный контур циркуляции с собственным насосом. Достоинство такой системы - раздельное регулирование температуры каждого теплоносителя; недостатки системы связаны с ее сложностью и большой металлоемкостью. На большинстве тепловозов применяется двухконтурная система, состоящая из контура охлаждения дизеля и контура охлаждения масла и наддувочного воздуха. Такая система имеет два водяных насоса, оптимальную длину трубопроводов и допускает раздельное регулирование температуры воды и масла.

Для интенсификации отвода тепла от воды, охлаждающей дизель, уменьшения весо-габаритных показателей холодильника и снижения затрат мощности на его функционирование применяют высокотемпературное охлаждение дизеля, при этом водяная система должна быть закрытой и оснащенной устройствами, повышающими давление и предотвращающими парообразование и кипение воды (тепловозы 2ТЭ116, 2ТЭ121, ТЭП70). Контур охлаждения масла и наддувочного воздуха дизеля считается среднетемпературным - с температурой воды на выходе из секций радиатора в пределах 65-70 °С. Водяные системы охлаждения работают при значительных теплоотводах от теплоносителей, в связи с чем насосы обеспечивают высокую кратность циркуляции воды. Доля тепла, отводимого от воды дизеля, масла и наддувочного воздуха (по отношению к эффективной мощности дизеля), составляет соответственно: 0,27-0,42; 0,18-0,28 и 0,14-0,18 (меньшие значения для четырехтактных дизелей).

Принципиальные схемы двухконтурных водяных систем большинства тепловозов примерно одинаковы. Центробежный водяной насос (рис. 5.36) нагнетает воду во внутреннюю систему дизеля, турбокомпрессора и выпускных коллекторов, далее нагретая вода поступает на охлаждение в секции радиатора, а затем возвращается во всасывающую полость насоса ВН1. На тепловозах 2ТЭ116 предусмотрено два режима охлаждения воды дизеля: среднетемпературный (с максимальной температурой воды 90 "С) и высокотемпературный (106 °С). На тепловозах ТЭП70 применено высокотемпературное охлаждение дизеля.

При работающем дизеле часть горячей воды отводится для подогрева топлива в топливоподогреватели и для обогрева кабины машиниста посредством калорифера и двух обогревателей пола. Циркуляция воды в контуре охлаждения масла и наддувочного воздуха осуществляется насосом, который подает охлажденную в секциях радиатора воду в охладитель наддувочного воздуха, в водомасляный теплообменник и далее в радиатор. Расширительный бак подключен к обоим контурам и предназначен для пополнения системы водой, компенсации объемного расширения воды и создания напора на всасывании насосов. Бак представляет емкость объемом 300-400 л, разделенную перегородкой и заполненную примерно на 2/з объема. Заливочная горловина закрыта крышкой со встроенным паровоздушным клапаном, предназначенным для поддержания необходимого давления (0,05-0,075 МПа) при высокотемпературном охлаждении и для сообщения бака с атмосферой при разрежении (вследствие охлаждения воды). Два невозвратных клапана предотвращают выброс воды в расширительный бак через подпиточные трубы после остановки дизеля при высокой температуре воды. Для контроля уровня воды в баке имеется водомерное стекло и датчик-реле уровня воды. Систему охлаждения заправляют водой под давлением через два вентиля, дозаправка водяного бака возможна через заливочную горловину. Водяная система оборудована датчиками-реле температуры и датчиками для защиты дизеля от перегрева воды и масла. Для магистральных тепловозов запасы специально подготовленной воды с пониженным содержанием солей составляют (на одну секцию) 800-1500 кг; производительность (подача) водяных насосов 75-150 м3/ч.

Для подогрева систем дизеля перед пуском и во время стоянки в холодный период возможно использование следующих способов: работа дизеля в режиме холостого хода (приводит к повышенному расходу топлива и износу деталей); применение автономных водоподогревательных котлов (тепловозы ранней постройки - ТЭЗ, ТЭ10, ТЭП60); использование электронагревателей и теплообменных аппаратов, установленных на тепловозе и работающих от внешней электрической сети (деповской или станционной); применение на локомотивах специальных теплообменников, подключенных к системам горячей воды, или пара стационарных котельных; отстой тепловозов в отапливаемых помещениях-ангарах.

Система воздухоснабжеия

Устройства для забора и очистки воздуха предназначены для приема атмосферного воздуха, его очистки в воздухоочистителях и подвода к агрегатам наддува или непосредственно к цилиндрам дизеля. Потребление воздуха дизелями магистральных тепловозов при полной мощности составляет 14-30 тыс. м3/ч и при средней запыленности воздуха, порядка 3 мг/м3, в дизель могло бы поступать значительное количество твердых частиц, вызывающих абразивный износ деталей. При неблагоприятных внешних условиях в воздухе содержится пыли более 5-10 мг/м3. Около 70% частиц пыли имеют размеры порядка 5 мкм. Размеры частиц, ускоряющих износ поршневых колец и гильз, составляют 5-20 мкм; размеры частиц, пропускаемых воздухоочистителями, в основном не превышают 1-2 мкм. Главными параметрами воздухоочистителей являются: коэффициент пропуска (отношение массы пропущенной пыли к массе пыли, поступившей в очиститель с воздухом), аэродинамическое сопротивление и пылеемкость, определяющая продолжительность работы очистителя до планового обслуживания или замены.

В применяемых на тепловозах воздухоочистителях используются следующие принципы улавливания пыли: контактная очистка (очистители с набивкой из проволочных сеток или путанки из различных волокон, смоченные дизельным маслом); инерционная очистка (отделение пыли под действием сил инерции при изменении направления воздушного потока); циклонная очистка (используется центробежная сила, приложенная к частицам пыли во вращающемся потоке воздуха) и фильтрация (пропуск воздуха через мелкопористый материал - картон, бумагу, пенополиуретан). Наибольшее распространение на тепловозах BТЭ116, 2ТЭ10М, 2ТЭ121, ТЭП70) получили воздухоочистители непрерывного действия с двухступенчатой очисткой: на первой ступени частицы пыли удерживаются во вращающейся кассете, состоящей из набора сеток, частично погружаемой в масляную ванну; вторая ступень состоит из кассеты с набором сеток или с фильтрующими элементами из пенополиуретана. Коэффициент пропуска таких воздухоочистителей составляет 1,3-1,7%, аэродинамическое сопротивление — 800—1800 Па. Периодичности обслуживания воздухоочистителей соответствует текущий ремонт ТР-1.

Устройства для выпуска отработавших газов в атмосферу

представляют собой выпускную трубу или глушитель, которые присоединяются посредством компенсатора к выпускному патрубку турбокомпрессора. Шум при выпуске газов имеет частоту, близкую к 100 Гц, и уровень до 120 дБ. Снижение шума осуществляется в расширительных камерах и диффузорах глушителя, а также при разделении газового потока на отдельные струи и при прохождении звуковых волн через звукопоглощающие материалы. Глушители снижают уровень шума на 15—25 дБ; сопротивление газов при выпуске 2-3 кПа. Выбрасываемые в глушитель продукты неполного сгорания топлива и масла отводятся из поддона глушителя под раму тепловоза. В связи с высокой температурой газов (более 400 °С) применяется многослойная асбестовая термоизоляция, снижающая температуру на поверхности корпуса глушителя до 50—75 °С и способствующая повышению противопожарной безопасности. С этой же целью на маневровых тепловозах применяют специальные искрогасители, устанавливаемые на выпускном трубопроводе.