Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 12
1.1. Эксплуатационные факторы, влияющие на надежность и эффективность работы тепловозов 12
1.2. Влияние загрязнения турбины и компрессора в процессе эксплуатации на эффективность и надежность тепловозных дизелей 18
1.3. Методы и средства, направленные на повышение эффективности работы тепловозных дизелей 23
1.4. Обзор работ и существующих средств очистки воздушных и газовых сред от загрязнителей 28
1.5. Постановка цели и задач исследования 34
Выводы 36
2. Моделирование газодинамических процессов в газовоздушном тракте тепловозного дизеля 38
2.1 Оценка влияния сил, действующих на частицу 38
2.2 Траектория движения потока, поле скоростей, распределение давления 43
2.3 Оценка эффективности электродинамического метода очистки воздушных и газовых сред от загрязнителей 50
Выводы 56
3. Разработка методов и средств, направленных на совершенствование системы газовоздушного тракта тепловозов 58
3.1 Разработка устройства электродинамической очистки воздушных и газовых сред от загрязнителей 59
3.2. Разработка конструкции циклона-электрофильтра очистки воздуха на входе в дизель з
3.3. Разработка конструкции циклона-электрофильтра очистки продуктов сгорания на входе в турбину 69
3.4 Схемы подключения электродов 72
Выводы 75
4. Расчетно-экспериментальные исследования предложенных методов и средств 76
4.1. Методика оценки степени очистки продуктов сгорания, погрешность измерения 76
4.2. Экспериментальные исследования работы циклона-электрофильтра
4.3 Расчетно-экспериментальное исследование работы циклона-электрофильтра, проверка разработанной математической модели на адекватность 90
4.4 Расчетно-экспериментальное моделирование работы дизеля тепловоза ЧМЭЗ 93
Выводы 103
5. Технико-экономическая эффективность от внедрения разработанных устройств 105
5.1 Определение годового экономического эффекта и срока окупаемости 105
5.2 Определение чистого дисконтированного дохода 108
Выводы 111
Основные результаты работы и выводы 112
Библиографический список
- Методы и средства, направленные на повышение эффективности работы тепловозных дизелей
- Оценка эффективности электродинамического метода очистки воздушных и газовых сред от загрязнителей
- Разработка конструкции циклона-электрофильтра очистки продуктов сгорания на входе в турбину
- Расчетно-экспериментальное исследование работы циклона-электрофильтра, проверка разработанной математической модели на адекватность
Методы и средства, направленные на повышение эффективности работы тепловозных дизелей
Факторы, оказывающие влияние на надежность и эффективность работы тепловозных дизелей в эксплуатации, можно условно разделить на четыре группы: конструкция дизеля (трущиеся пары; система воздухоснабжения; система смазки; система охлаждения; выпускная система; топливная система; система автоматики; контроле пригодность; внешняя и внутренняя неуравновешенность), качество изготовления (материалы; качество обработки; показатели надежности; технологическая наследственность), качество ремонта (межремонтный пробег; ремонт по фактическому состоянию; ремонт отдельных узлов и соблюдение правил ремонта; очистка от нагара; устранение разрегулировок; реостатные испытания с использованием новейших микропроцессорных систем и программных средств; уровень научной организации труда и сетевого планирования управления) и условия эксплуатации (условия окружающей среды; режим обслуживания; контроль ресурса и степень износа деталей; качество топлива; качество масла и контроль его состояния; качество воды и водоподготовки) [5, 6].
Эффективность эксплуатации тепловозов определяется главным образом уровнем использования и экономичности их работы. Проблеме повышения эффективности использования и топливной экономичности тепловозов в нашей стране уделяется большое внимание. Большой вклад в исследование проблем повышения эффективности и эксплуатационной надежности тепловозных дизелей внесли специалисты ВНИИЖТа, МИИТа, ОмГУПСа, ДВГУПСа, СамГУПСа и др. В частности этим вопросам посвящены работы ученых А. И. Володина, Е. Е. Коссова, В. Н. Балабина, Е. И. Сковородникова, Ю. Е. Просвирова, Д. Я. Носырева, В. А. Кручека, А. С. Анисимова, В. А. Четвергова, А. Ю. Конькова и др. [7-19].
В литературе отмечается, что в процессе эксплуатации тепловозов серии ТЭМ2, ЧМЭЗ и ТЭ10 происходит снижение их надежности и экономичности. Учитывая, что эти тепловозы будут основными на железных дорогах еще длительное время, необходимо проводить их модернизацию с целью повышения эксплуатационных качеств.
Наиболее важным показателем тепловозных дизелей являются надежность и эффективность функционирования. Оба эти показателя формируются на стадии разработки и изготовления и реализуются в период эксплуатации. Как правило, при эксплуатации происходит необратимые изменения в конструкции, связанные с ухудшением технического состояния ее узлов и деталей, которые приводят к постоянным и внезапным отказам. Расход топлива тепловозом в эксплуатации сверх допускаемых норм вследствие неисправности также можно считать отказом. Действительно, перерасход топлива отдельным тепловозом вызывает необходимость непланового ремонта, проведение тщательной проверки топливной аппаратуры, систем воздухоснабжения, регулировки на реостатных испытаниях. Это приводит к ухудшению показателей надежности. Отсутствие в эксплуатации отказов по перерасходу топлива тепловозами в свою очередь вызывает улучшение показателей, характеризующих надежность [20].
На железных дорогах Российской Федерации тепловозы работают в различных климатических условиях, подвергаются действию солнечной радиации, изменению температуры и влажности воздуха, атмосферных осадков, пылевых и других загрязнений, атмосферного давления. Кроме этого, работоспособность элементов газовоздушного тракта определяется характером режима работы тепловоза и профиля пути. В процессе эксплуатации на элементы газовоздушного тракта дизеля тепловоза работает в условиях интенсивных вибраций, ударных воздействий и в широком диапазоне нагрузок. Таким образом, система газовоздушного тракта должна обеспечить сохранение всех параметров в течение предусмотренных сроков службы при воздействии этих факторов [21].
Эксплуатация тепловозных дизелей на железнодорожном транспорте имеет свою специфику: значительная по времени работа на холостом ходу и частичных нагрузках, постоянная сменяемость режимов, потребность в остановках и пусках дизеля - иными словами мощность локомотивов используется наполовину. Коэффициент использования мощности тепловозов в поездной работе не превышает 0,3.. .0,4 [22, 23].
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. Так, удельное количество порч и неисправностей тепловозов в пути следования варьируется по дорогам в пределах 0,74...3,1 случаев на 1 млн. км пробега (в среднем по сети дорог 1,69 случаев на 1 млн. км пробега), а удельное количество неплановых ремонтов тепловозов варьируется в диапазоне 5,71...34,59 случаев на 1 млн. км пробега. При этом 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 дизель приводит к снижению производительности турбокомпрессора, что в следствии вызывает неустойчивую работу дизеля. Очистка воздушного потока от твердых загрязнителей приводит, к уменьшению износа элементов газовоздушного тракта дизеля, к стабилизации режимов работы системы воздухоснабжения, к повышению производительности турбокомпрессора, что позволяет содержать тепловоз в хорошем теплотехническом состоянии и способствует экономии топлива [24].
Оценка эффективности электродинамического метода очистки воздушных и газовых сред от загрязнителей
Минимальный размер частицы, которая может быть удалена, прямо пропорционален радиусу циклона, определяющему границу перехода от свободного вихревого течения к вынужденному. Однако, следует отметить, что увеличение входной скорости свыше 20-30 м/с, с намерением улучшить характеристики циклона дает в лучшем случае слабый эффект, причем причина этого заключается в увеличении кинетической энергии турбулентности, которая в свою очередь усиливает обратное подмешивание и вызывает такие эффекты, как, например образование пылевого вихря. В циклоне также могут происходить и некоторые другие явления, такие, как агломерация частиц под действием сил Ван-дер-Ваальса, капиллярных сил и сил электростатического напряжения. Такое явление равносильно увеличению размера частиц, что приводит к существенному увеличению полной эффективности сбора частиц в циклоне. С помощью разработанной конструкции циклона-электрофильтра удастся принудительно зарядить частицы, в результате чего они будут притягиваться друг к другу, образуя агломераты больших размеров [73].
Коагуляция частиц, находящихся в потоке воздуха, зависит от размера частиц, электрического заряда, температуры, влажности и давления. Интенсивность коагуляции зависит от формы и структуры частиц. Влияние электрического поля на коагуляцию частиц было продемонстрированно в работах Фан Конга и Иордана. Интересные эксперименты Девира, а также Волкова и Крылова посвящены коагуляции нейтральных и заряженных частиц в электрическом поле [74].
Если оба электрода, на которые подается высокое напряжение (1,5-30 кВ), имеют малый радиус кривизны, то в таком случае возникает биполярная корона. В зависимости от знака приложенного напряжения на этих электродах будут существовать разные коронные разряды. В случае биполярной короны имеются два коронирующих электрода, которые окружены зоной ионизации. Перенос заряда осуществляется ионами разных знаков, заряд которых взаимно компенсируется в центральной части разряда.
В поле биполярного коронного разряда на выделенную частицу действует суммарное поле от внешних источников и создаваемое зарядами на самих дисперсных частицах, то есть напряженность поля в газе зависит от степени его электризации. Подобная связь наиболее очевидна для ионного механизма зарядки и когда на тепловое движение ионов накладывается их направленный дрейф вдоль силовых линий. Часть силовых линий кончается на поверхности частицы, что и приводит к появлению ионного тока заряда. В общем случае можно сделать вывод о том, что электрическое поле существенно повышает эффективность электризации потока газа и накоплению на частицах сажи больших зарядов. Это в свою очередь изменит кинетику газа, прежде всего за счет направленного дрейфа частиц.
Наличие зарядов на частицах существенно изменяет физику взаимодействия частиц между собой и с дисперсной средой. В той или иной степени все процессы трансформации спектра размеров частиц чувствительны к электрическому фактору. Основное кинетическое уравнение коагуляции было получено Смолуховским [75]. В общем виде это уравнение имеет вид: Выполнение этого неравенства приводит к образованию конвективной коагуляции частиц при нарушении пространственной однородности их распределения, то есть в конечных дисперсных системах с заряженными частицами пространственно однородное состояние является неустойчивым.
Разработка конструкции циклона-электрофильтра очистки продуктов сгорания на входе в турбину
Существует множество вариантов устройств центробежной очистки. Для реализации электродинамического метода очистки воздушных и газовых сред предложен циклон-электрофильтр, который был разработан в научно-исследовательской лаборатории «Теплофизические методы контроля и диагностирования локомотивов» кафедры «Локомотивы» Самарского государственного университета путей сообщения [84, 85].
Принципиальная схема устройства очистки воздушных и газовых сред от твердых загрязнителей представлена на рис. 3.2.
Устройство относится к очистке воздушных и газовых сред от твердых загрязнителей в поле действия центробежных сил и сил электрического взаимодействия. Данное устройство реализует электродинамический метод очистки. Техническим результатом разработанного устройства является повышение степени очистки от твердых загрязнителей. Устройство представляет собой центробежный циклон-электрофильтр, который состоит из корпуса 1, с входным патрубком 2, крышки корпуса 3, изоляторов 4, изолирующей пластины 5, коронирующих электродов 6, выходного патрубка 7, отражателя 8, спиц 9, бункера 10 с осевым патрубком выхода шлама 11.
Разработанное устройство, на примере очистки воздушного потока от пылевых частиц работает следующим образом. Очищаемый воздух поступает в устройство через входной патрубок 2, который установлен в верхней части корпуса 1. Выйдя из входного патрубка 2 воздушный поток закручивается и движется вниз по спирали. Под действием центробежных сил твердые загрязняющие частицы отбрасываются к стенкам корпуса 1, теряют свою кинетическую энергию и падают в бункер 10. Дополнительно, к крышке корпуса 3, через изолирующую пластину 5 и изоляторы 4, прикреплены не менее двух коронирующих электродов 6 разной длины. Разноименные электроды размещены по концентрическим окружностям, и их полярность чередуется по ходу движения воздуха. При подаче высокого постоянного напряжения на электроды 6, 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. Под действием центробежных сил происходит более интенсивное слипание и укрупнение частиц. Более крупные частицы легче подвергаются воздействию центробежных сил. Как вариант корпус 1 можно заземлить, а на электроды 6 подать отрицательное высокое напряжение. В результате устройство будет работать как электрофильтр. Отрицательно заряженные частицы будут прилипать к корпусу. Периодически следует снимать напряжение и налипшие к корпусу частицы очистятся идущим потоком газа. Собранные в бункере 10 твердые загрязнители выводятся через осевой патрубок выхода пыли 11, а очищенный газ выводится в атмосферу через выходной патрубок 7. Для устранения вторичного пылеуноса к выходному патрубку 7, на спицах 9 крепится отражатель 8, который не позволяет загрязняющим частицам вместе с воздухом уходить в атмосферу [86].
Сравним эффективность использования циклонов-электрофильтров разной геометрической формы, в качестве устройства очистки воздуха дизеля тепловоза ЧМЭЗ. На рис. 3.3, рис. 3.4, рис. 3.5 представлены твердотельные модели циклонов электрофильтров цилиндро-конической, цилиндрической и плоской формы соответственно. Как видно из представленных моделей наименьшая скорость движения воздушного потока развивается циклоне-электрофильтре плоской формы (рис. 3.5 - а), что негативно сказывается на степени очистки устройства (рис. 3.5 - б). В свою очередь наибольшая скорость движения газового потока развивается в коническом циклоне-электрофильтре (рис. 3.4 - а). Это происходит за счет уменьшения радиуса корпуса, в виде резкого сужения конуса. Однако, существенного отличия в степени очистки циклонов-электрофильтров конической и цилиндро-конической форм не наблюдается (рис. 3.3 - б, рис. 3.4 - б). I
Для размещения коронирующих электродов наиболее удобна коническо-цилиндрическая форма корпуса, устройства очистки воздушных и газовых сред от твердых загрязнителей. Такая форма корпуса позволит обеспечить установку электродов на требуемую глубину корпуса, обеспечить требуемое межэлектродное расстояния, во избежание электрических пробоев в газе и позволит обеспечить легкую вариативность схем подключения электродов к источнику высоковольтного питания.
Таким образом, наиболее оптимальной конструкцией устройства очистки воздушных и газовых сред от твердых загрязнителей является конструкция циклона-электрофильтра цилиндро-конической формы (рис. 3.3).
Расчетно-экспериментальное исследование работы циклона-электрофильтра, проверка разработанной математической модели на адекватность
Моделирование работы дизеля тепловоза показало, что совершенствование системы газовоздушного тракта тепловоза приводит к увеличению эффективного КПД дизеля на 2 %, снижению удельного расхода топлива на 4 %, увеличению эффективной мощности дизеля на 2 %, увеличению КПД турбокомпрессора на 6 %.
Определение годового экономического эффекта и срока окупаемости Расчет экономической эффективности применения новой техники производится в соответствии с методическими указаниями по определению экономической эффективности новой техники, изобретений и рациональных предложений на железнодорожном транспорте [115].
Исходные данные для расчета приведены в табл.5.1 Таблица 5.1 Исходные данные для определения технико-экономической эффективности. Наименование показателя Обозначение Единица измерения Величина показателя Стоимость циклонов-электрофильтров на один тепловоз ПустЦэ ЦтЬеNe руб.руб/кВтч руб/ткг/(кВтч) кВтЧ 450 0002,7 180000,234 8403015 Цена 1 кВт- ч электроэнергии Стоимость дизельного топлива Удельный расход топлива в эксплуатации Средняя эффективная мощность Средняя наработка в эксплуатации за год Стоимостьпроведенияремонта ТР-3 Планового СТР-З руб. 92354 Годовой экономический эффект от внедрения циклонов-электрофильтров на один тепловоз можно представить в следующем виде: Ен - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений. В соответствии с утверждённой Методикой при расчетах экономической эффективности новой техники, изобретений и рационализаторских предложений используется единый нормативный коэффициент экономической эффективности, равный 0,15;
По данным статистики ремонта агрегатов наддува число неплановых ремонтов по причине выхода из строя турбины и компрессора составляет 3-5 единиц в год для одного ремонтного депо.
За счет совершенствования системы газовоздушного тракта планируется снизить количество неплановых ремонтов в объеме ТР-3 в два раза. Экономия денежных средств достигается за счет разности стоимости планового и непланового ремонтов.
Основными показателями, характеризующими эффективность применения устройства является интегральный экономический эффект и срок окупаемости затрат по его разработке и внедрению.
Срок окупаемости определяется как отношение капитальных вложений к экономическому эффекту и вычисляется по формуле:
В качестве прибыли при оценке эффективности применения устройства выступает прибыль от снижения удельного расхода топлива и прибыль от сокращения количества неплановых ремонтов турбокомпрессора. Расходы складываются из единовременных затрат, необходимых для создания устройств, и эксплуатационных расходов.
Для более точного расчета экономический эффекта от внедрения разработанных мероприятий производился с использованием системы дисконтирования [116, 117]. Сущность дисконтирования заключается в приведении будущих финансовых результатов и затрат к современной оценке, т.е. к начальному периоду инвестирования. В основу дисконтирования положен принцип неравномерности текущих и будущих затрат и результатов. Будущие денежные средства всегда дешевле сегодняшних и не только из-за инфляции.
Экономический эффект определен в целом за жизненный цикл создания и использования устройства. В качестве начального года отчетного периода принят год начала финансирования работ - 2014 год. Конечный год определен моментом завершения жизненного цикла мероприятия - 2029 год, поскольку срок службы устройства ограничивается 15 годами.
