СИСТЕМА ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ДВУХТАКТНОГО ТУРБОДИЗЕЛЯ
TWO-STROKE TURBO DIESEL AIR COOLING SYSTEM

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, двигателестроения и может найти применение в поршневых двигателях, в частности в авиационных турбодизелях с воздушным охлаждением.
Поршневые двигатели (ПД) до сих пор являются основой большинства наземных транспортных средств, а при некоторых условиях (высота, скорость, дальность полета, грузоподъемность) конкурентноспособны авиационным газотурбинным двигателям (ГТД). В этом случае наиболее приемлемыми с точки зрения высоких удельных параметров являются двухтактные турбодизели с воздушным охлаждением.
Дальнейшее форсирование по удельным параметрам авиационных турбодизелей (АТД) неизбежно вызывает повышенные требования к системе охлаждения (СО), которое значительно затрудняется ростом тепловой нагрузки деталей цилиндровой группы, т.к. их прочностные характеристики в большой степени зависит от уровня температур и температурных градиентов, обуславливающих величину термических напряжений. Конструкция авиационных турбодизелей с воздушным охлаждением может быть самой различной, число рабочих цилиндров и коленчатых валов и их расположение также разнообразны. Общим у них является то, что охлаждаемая поверхность рабочих цилиндров оребрена, сами рабочие цилиндры неподвижны, и охлаждающий воздух подается в межреберные каналы под воздействием вентилятора (нагнетателя) и/или набегающего потока. Из-за стремления сокращения габаритов цилиндры располагаются как можно ближе друг к другу и в местах, где цилиндры наиболее близки, охлаждение затруднено как из-за уменьшения площади прохода охладителя, так и из-за вынужденного сокращения длины ребер. Как известно, величина снимаемого теплового потока пропорциональна площади охлаждаемой поверхности и коэффициенту теплоотдачи α от ребер к охладителю, который пропорционален скорости и температуре обтекающего потока.
Известны способы повышения эффективности воздушного охлаждения двигателей, например, за счет кожуха с высокой проницаемостью, представленные в «Двигателе внутреннего сгорания с воздушным охлаждением», патент РФ №2101621 от 31.01.1996 г., или использование вентилятора с направляющим кожухом и дефлекторами для направления охлаждающего воздуха, патент РФ №2133839 от 03.12.1997 г. «Двигатель внутреннего сгорания с воздушным охлаждением», или применение двухконтурного охлаждения, патент РФ №2183752 от 22.12.2000 г. «Система воздушного охлаждения для двигателя внутреннего сгорания и способ ее работы».
Основными недостатками указанных технических решений является то, что они не могут обеспечить равномерного температурного поля рабочих цилиндров, эффективного охлаждения межреберных каналов и уменьшения теплового потока в стенку рабочих цилиндров от газа.
Технической задачей заявляемого технического решения является повышение эффективности охлаждения рабочих цилиндров, обеспечение равномерного температурного поля, уменьшения воздействия теплового потока от газа в стенку рабочих цилиндров, а следовательно сокращение габаритов, устранение неравномерного износа рабочих цилиндров и увеличение ресурса работы двигателя.
Технический результат достигается в заявляемой системе воздушного охлаждение двухтактного турбодизеля, которая содержит рабочие цилиндры с головками, расположенные, например, по окружности, с противоположными движущимися поршнями. Наружные поверхности рабочих цилиндров и головок выполнены оребренными. Причем рабочие цилиндры выполнены вращающимися вокруг своей продольной оси.
Рабочие цилиндры установлены таким образом, что наружные ребра соседних рабочих цилиндров заходят друг за друга.
Внутренняя поверхность головок рабочих цилиндров имеет ребра-лопатки.
На фиг.1 представлена конструктивная схема заявляемой системы воздушного охлаждения двухтактного турбодизеля (двигателя) с вращающимися цилиндрами.
На фиг.2 представлено сечение по А-А двухтактного двигателя фиг.1.
На фиг.3 показана схема обтекания охлаждающего воздуха по наружной поверхности рабочего цилиндра и течение относительно холодных слоев газа внутри рабочего цилиндра.
На фиг.4 схематично показана турбулизация пограничного слоя обтекающего потока рабочих цилиндров.
На фиг.5 графически представлены коэффициенты теплоотдачи от ребер к охлаждающему воздуху в зависимости от скорости обдува и геометрии охлаждающих ребер.
На фиг.6 схематично представлены изолинии скорости потока в межреберных каналах в зависимости от их ширины.
На фиг.7 представлены расчетные температурные поля поперечных сечений неподвижного цилиндра по его длине.
На фиг.8 и фиг.9 представлены расчетные температурные поля наиболее горячего сечения рабочего цилиндра для соответственно неподвижного цилиндра и вращающегося цилиндра.
На фиг.1 и 2 схематично представлена заявляемая система воздушного охлаждения двухтактного турбодизеля (двигателя), где изображен двигатель с рабочими цилиндрами 1, расположенными по окружности (в данном случае шесть пар цилиндров) и противоположно движущимися поршнями 2. На наружной поверхности цилиндров 1 имеются ребра 3 охлаждения. Каждая пара рабочих цилиндров 1 имеют свой коленчатый вал 4 с косозубой шестерней 5, осуществляющей привод на общий вал 6, с которого снимается мощность. На валу 6 имеются шестерни 7, которые входят в зацепление с шестернями 8 на концах наружной поверхности рабочих цилиндров 1. Рабочие цилиндры 1 сидят на подшипниках 9 и вращаются в общем корпусе 10.
На фиг.3 показана схема обтекания охлаждающего воздуха по наружной поверхности рабочего цилиндра и течение относительно холодных слоев газа внутри рабочего цилиндра за счет вращающихся лопаток 12, 13 соответственно на наружной и внутренней сторонах головки рабочего цилиндра.
На фиг.4 схематично показано, как для турбулизации пограничного слоя обтекающего потока рабочие цилиндры 1 установлены таким образом, что наружные ребра соседних рабочих заходят друг за друга (при этом уменьшаются габариты двигателя). Турбулизация потока, вызванная противоположным вращением охлаждающих ребер 3 в местах их захода повышает коэффициент теплоотдачи от ребер 3 к обдувающему воздуху. Из-за увеличения скорости обтекания ребер 3 и соответственно увеличения коэффициента теплоотдачи длину ребер 3 можно уменьшить и рабочие цилиндры 1 могут располагаться ближе друг к другу, что уменьшит габариты двигателя.
На фиг.5 представлена зависимость коэффициента теплоотдачи α от оребренной поверхности к охладителю в зависимости от скорости обтекания и геометрии ребер.
На фиг.6 показаны изолинии скорости обтекающего потока при различной ширине межреберных каналов. Как видно, увеличение площади охлаждаемой поверхности за счет высоты ребер h и уменьшения шага m эффективно до определенных пределов. Узкие и длинные каналы из-за набухания толщины пограничного слоя и увеличения гидравлического сопротивления затрудняют прохождение охладителя, и фактическая скорость обтекания снижается. Для увеличения скорости течения охладителя в межреберных каналах увеличивают давление и расход охладителя на входе в систему охлаждения, но это приводит к неоправданно высоким затратам мощности на прокачку (вентиляторные потери).
На фиг.7 представлены температурные поля поперечных сечений рабочего цилиндра по его длине при круговой схеме расположения рабочих цилиндров цилиндров. Различные участки оребрения поставлены не в равные условия (в месте М условия охлаждения хуже, чем в месте N), что приводит к неравномерному температурному полю, градиент температуры достигает более 300°С, и в случае форсирования двигателя местная температура рабочих цилиндров выходит за допустимые пределы. Неравномерное температурное поле вызывает искажение геометрической формы и неравномерный износ внутренней поверхности рабочих цилиндров.
В заявляемой системе воздушного охлаждения двухтактного турбодизеля технический результат достигается принудительным вращением рабочих цилиндров двигателя относительно своей продольной оси.
Рассмотрим положительные эффекты, вызываемые вращением рабочих цилиндров 1.
Прежде всего, устраняется неравномерность температурного поля в поперечных сечениях рабочих цилиндров 1. Вращение рабочих цилиндров 1 устраняет набухание пограничного слоя в межреберных каналах и увеличивает скорость течения охладителя.
На наружной поверхности головки 15 рабочего цилиндра 1 вокруг топливной форсунки 11 расположены ребра-лопатки 12, по типу центробежного компрессора. При вращении рабочего цилиндра ребра-лопатки 12 нагнетают воздух под кожух в межреберные каналы, что позволит обойтись без специального вентилятора системы охлаждения. Ребра-лопатки 13 на внутренней поверхности головки 15 рабочих цилиндров 1 отбрасывают к периферии внутренней поверхности рабочих цилиндров 1 более холодный газ и создают защитную пелену.
Эти эффекты более подробно рассмотрены на фиг.6. Лопатки 1 на внутренней поверхности головки 15 рабочих цилиндров 1 создают поток газа, показанный стрелками 14 - холодный воздух (или газ) за счет большей плотности отбрасывается к периферии и создает защитную пелену вдоль внутренней стенки рабочих цилиндров 1, уменьшающую тепловой поток от газа в стенку цилиндра. Ребра-лопатки 3 на наружной поверхности головки 15 формируют поток охладителя, показанный стрелками 16.
На фиг.8 и 9 показаны расчетные температурные поля в наиболее горячем сечении рабочих цилиндров - для неподвижного рабочего цилиндра 1, фиг.8, и вращающего рабочего цилиндра 1, фиг.9. Видно, что в случае вращения температурный градиент снижается почти на 140°C.
Предложенная система воздушного охлаждения двухтактного турбодизеля основана на принудительном вращении оребренных рабочих цилиндров двигателя. Благодаря этому достигается равномерное температурное поле в поперечных сечениях рабочих цилиндров и увеличивается теплоотдача от ребер к охлаждающему воздуху - за счет скорости обтекания, а также турбулизации пограничного слоя. Пограничный слой турбулизируется при вхождении ребер охлаждения в межреберные каналы соседних цилиндров, с минимально возможным конструктивным зазором, одновременно это способствует сокращению габаритов двигателя.