Применение в системе централизованного воздухоснабжения тепловозов вентилятора с поворотными лопатками

Попов Ю.В.

Российский государственный открытый технический университет путей сообщения (РГОТУПС), Россия

В настоящее время на тепловозах с системой централизованного воздухоснабжения применен осевой вентилятор с приводом от вала дизеля и жестким закреплением лопаток вентиляторного колеса. Подача G_взтакого вентилятора зависит от частоты вращения вала дизеля n_d и не связана с температурой тяговых электрических машин и преобразователей.

Необходимая подача вентилятора при любом режиме работы определяется по выражению:

(1)

где – требуемая подача воздуха на тяговый генератор;

– требуемая подача воздуха в тяговые двигатели;

– требуемая подача воздуха на выпрямительную установку;

- требуемая подача воздуха в высоковольтную камеру.

Проведенные на Коломенском заводе [5] испытания системы центрального воздухоснабжения в стендовых условиях показали, что подача вентилятора на всех режимах, отличающихся от расчетного, выше необходимой. Так, например подача вентилятора К42 тепловоза ТЭП70 на 15 позиции контроллера машиниста составляет 20,5 м³/c. Требуемая подача при температуре охлаждающего воздуха + 25 ⁰С и температуре якорных обмоток ТЭД + 150 ⁰С и максимальном токе тягового генератора составляет 16,25 м³/c.

Величина является функцией тока нагрузки электрических машин или преобразователей. Кроме того, также существенно зависит от температуры охлаждающего воздуха [3,5]. Так, например, требуемая подача воздуха на тяговый электродвигатель ЭД121A-У1 при максимально принимаемой для условий эксплуатации температуре охлаждающего воздуха + 40 ⁰С составляет 1,67 м³/с, а при температуре – 40 ⁰С - 0,72 м³/с, т.е. в 2,3 раза меньше, чем при расчетном режиме.

При проектировании системы охлаждения угол установки лопаток вентилятора определяется для наиболее тяжелых условий работы электрооборудования тепловоза по охлаждению при номинальной мощности дизель-генераторной установки.

Для снижения G_вз необходимо либо снизить частоту вращения вентилятора, что неосуществимо при механическом приводе без наличия промежуточного звена (например, электромагнитной муфты скольжения), либо уменьшить угол установки лопаток вентилятора.

Для определения необходимого угла установки лопаток при заданной подаче воздуха и расчета экономичности регулирования подачи вентилятора путем изменения угла установки лопаток рабочего колеса, была разработана математическая модель работы вентилятора при постоянной частоте вращения его вала.

Исходными данными для расчета являются безразмерные аэродинамические характеристики вентилятора К42, полученные при испытаниях опытных образцов вентиляторных колес в ЦАГИ и на Людиновском тепловозостроительном заводе [2,4].

10⁰

45⁰

40⁰

45⁰

40⁰

35⁰

25⁰

20⁰

15⁰

5⁰

Расчет оптимального угла установки лопаток ведется в следующей последовательности:

- при заданных значениях необходимой подачи вентилятора по условиям охлаждения и частоте вращения коленчатого вала дизеля определяется безразмерный коэффициент расхода j:

(2)

где D_К – диаметр вентилятора, м

- напор в сети определяется эмпирическим уравнением вида:

, Па,

где А, В, С – эмпирические коэффициенты, которые подбираются для

различных сетей каждого тепловоза индивидуально по результатам

стендовых испытаний сети;

- определяется безразмерный коэффициент напора y:

, (3)

где - плотность воздуха

Безразмерные коэффициенты расхода j и напора y определяют положение рабочей точки вентилятора на плоскости безразмерных аэродинамических характеристик вентилятора.

На рис. 1 представлен вариант расположения рабочей точки вентилятора совместно с характеристиками вентилятора;

- далее при помощи математического метода «сеток» определяем угол установки лопаток a_В соответствующий рабочей точке вентилятора;

- затем определяется величина КПД, соответствующая найденному a_В;

- расчет мощности на привод вентилятора производится по формуле:

, кВт, (4);

где Н – необходимый напор, создаваемый вентилятором, Па;

h_в – КПД вентилятора в рабочей точке;

Для оценки эффективности регулирования подачи путем изменения угла установки лопаток были проведены расчеты для системы центрального воздухоснабжения тепловоза ТЭП70 при температуре окружающего воздуха

+ 25°С во всем рабочем диапазоне дизель-генераторной установки и сравнение данной системы со штатной системой тепловоза. В расчетах принималось, что тяговый генератор тепловоза работает с максимально возможным током для данной позиции контроллера машиниста. Время распределения работы дизель-

генераторной установки по позициям контроллера машиниста определялось по результатам опытной поездки [6].

Расход топлива на привод вентилятора определялся по выражению:

, кг (5)

где - мощность дизеля на i- позиции контроллера машиниста, кВт

- удельный эффективный расход топлива дизелем, кг/кВт*ч

- время работы дизеля на i- позиции контроллера машиниста

Результаты расчетов приведены в таблице 1.

Результаты расчетов показывают, что при предлагаемом способе регулировании подачи, несмотря на снижение КПД вентилятора в зоне низких расходов по сравнению со штатной системой, суммарный расход топлива на привод вентилятора за время опытной поездки снижается более чем в два раза (с 27,8 кг до 12,9 кг). Можно предположить, что в зоне низких температур охлаждаемого воздуха (0 ⁰С ¸ -20 ⁰С) экономия значительно возрастет.

В Российском государственном открытом техническом университете путей сообщения было разработано исполнительно-регулирующее устройство для локомотивных автоматических систем регулирования температуры (АСРТ) на базе систем микропроцессорного управления, содержащее математическую модель, позволяющую учитывать параметры, влияющие на экономичность работы вентилятора. Принципиальная схема устройства приведена на рис. 2.

Осевой вентилятор 7 приводится во вращение от дизеля 2 через мультипликатор. Объект охлаждения 11 оборудован датчиком температуры. Микропроцессор 1 в зависимости от сигналов, поступающих с датчика температуры 12 охлаждаемого объекта, датчика температуры охлаждающего воздуха 8 и датчика частоты вращения вала дизеля 3, рассчитывает оптимальное значение угла установки лопаток вентилятора и подает управляющий сигнал на исполнительно-регулирующее устройство, состоящее из исполнительного механизма 4 и регулирующего органа 5.

ПКМ	n_d	g_е, кг/кВтч	м³/с	м³/с	a_{Вштат, град}	a_Врег_, _град	t_i	h_шт	h_рег	Nв_шт, кВт	Nв_рег, кВт	В_шт, кг	В_рег, кг	DВ, кг
0	350	0,259	5,75	0,20	40	0,0	3,150	0,84	0,1	0,13	0,1	0,106	0,086	0,02
1	350	0,259	5,75	1,15	---//---	3,6	0,000	0,84	0,14	0,77	0,9	0,000	0,000	0
2	395	0,253	6,74	1,35	---//---	4,0	0,133	0,84	0,14	1,13	1,2	0,038	0,040	-0,02
3	445	0,246	7,85	1,64	---//---	4,4	0,033	0,85	0,15	1,73	1,6	0,014	0,013	0,001
4	490	0,241	8,85	2,00	---//---	6,2	0,267	0,85	0,16	2,55	2,1	0,164	0,136	0,028
5	535	0,236	9,85	2,42	---//---	7,6	0,117	0,85	0,18	3,6	2,6	0,102	0,073	0,029
6	580	0,231	10,85	3,15	---//---	10,0	0,317	0,84	0,35	5,6	2,7	0,417	0,198	0,219
7	630	0,227	11,96	3,85	---//---	15,0	0,400	0,84	0,44	8,2	2,9	0,751	0,267	0,484
8	680	0,223	13,07	4,67	---//---	20,0	0,183	0,84	0,51	11,8	3,8	0,484	0,159	0,325
9	720	0,220	13,96	5,67	---//---	29,5	0,817	0,84	0,64	16,2	4,9	2,931	0,882	2,049
10	770	0,217	15,07	7,02	---//---	30,0	0,183	0,83	0,74	23,3	7,1	0,932	0,283	0,649
11	815	0,215	16,07	8,45	---//---	30,5	0,633	0,83	0,78	32,0	10,8	4,364	1,477	2,887
12	860	0,214	17,07	10,10	---//---	31,0	0,350	0,83	0,78	43,1	17,4	3,230	1,306	1,924
13	910	0,212	18,18	12,20	---//---	32,7	0,233	0,83	0,80	59,3	28,5	2,942	1,416	1,52
14	955	0,212	19,18	14,30	---//---	35,8	0,483	0,82	0,83	77,7	43,1	7,951	4,412	3,54
15	1000	0,212	20,18	16,25	---//---	36,5	0,167	0,82	0,83	98,3	62,9	3,465	2,218	1,24
Всего за поездку							7,467	Всего				27,893	12,966	14,92

Таблица 1. Результаты расчета параметров работы осевого вентилятора тепловоза ТЭП70 при регулировании его подачи путем изменения угла установки лопаток

Исполнительный механизм, в свою очередь, устанавливает необходимый угол установки лопаток. Контроль корректности установки ведется по сигналу датчика положения лопаток вентилятора 6. Датчики напора 9 и расхода 10 и температуры охлаждающего воздуха 8 контролируют работу системы регулирования и, в случае изменения режима работы дизель-генераторной установки или отклонения параметров работы вентилятора от заданных, выдают корректирующий сигнал на микропроцессор 1, который пересчитывает оптимальный угол установки лопаток с учетом изменения условий работы вентилятора.

Учет влияния эксплуатационных факторов на работу вентилятора позволяет осуществлять регулирование температуры объекта с большей точностью, одновременно снижая перерегулирование и уменьшая время переходных процессов [1].

Рис.1. Определение рабочей точки вентилятора по аэродинамическим характеристикам при фиксированной частоте вращения его колеса

Литература: