Двигатели газовые

Двигатель газовыйДВИГАТЕЛИ ГАЗОВЫЕ, двигатели внутреннего сгорания, работающие на газообразном топливе (естественном или генераторном), которое, перемешиваясь с воздухом до поступления в рабочий цилиндр, образует горючую смесь.

Различая эти двигатели по роду потребляемого топлива, необходимо отметить громадное значение двигателей газовых, работающих на колошниковых газах доменного процесса, т. к., несмотря на сравнительную калориметрическую бедность этих газов, общее количество их тепловой энергии очень велико: в одной только Германии, по современным данным, выплавляется в год около 12 млн. т. чугуна, а так как потребление кокса составляет в среднем 1 тонну на каждую тонну чугуна, то выход колошникового газа в Германии достигает 45 млрд. м3 в год. Двигатели газовые, работающие на колошниковых газах, не являются, конечно, исключительными потребителями этой огромной энергии, т. к. наряду с ними весьма большое распространение имеют и паросиловые установки, но в настоящее время двигатели газовые несомненно количественно преобладают, несмотря на весьма высокие первоначальные затраты.

Современная паровая турбина, благодаря очень высокой утилизации тепла, является серьезным конкурентом двигателей газовых, так как основное преимущество последних - высокий КПД - немногим превосходит КПД современной турбины. Выбор того или иного типа силового хозяйства м. б. решен лишь на основании реальных местных факторов. Своим развитием двигатели газовые обязаны тому, что для их работы могут быть использованы в качестве топлива различные сорта дешевых газов.

Конструктивная схема двухтактного двигателя фирмы Maschinen-A.-G. v. KleinДвигатели газовые начинают появляться в России немногим позже, чем за границей. Пионером их применения явилась металлургическая промышленность юга России (Днепровский завод - 1902 г. и Петровский завод) и Урала (Надеждинский завод - 1904 г. и Кыштымский завод); металлургическая же промышленность и осталась главным потребителем этих машин. Подавляющее большинство двигателей газовых работает на колошниковом газе и имеет своим назначением обслуживание главным образом воздуходувок и генераторов переменного и постоянного тока. Общая мощность газовых двигателей, установленных до сих пор в СССР, (по данным проф. Д.Д. Филиппова) выражается величиной в 100000 НР.

Конструкция двигателей газовых за 30 лет ее развития нашла свои установившиеся формы, по крайней мере у старейших фирм. Так, MAN, Deutz, Thyssen, Korting, Krupp, Tosi, Societe Cockerille строят горизонтальные четырехтактные двигатели с цилиндрами двойного действия тендем; лишь три крупных фирмы (Guldner, Lokom.-u. Maschinenfabrik и National) применяют вертикальную конструкцию, ограничиваясь, впрочем, сравнительно небольшими мощностями. На фиг. 1 показана конструктивная схема двухтактного двигателя фирмы Maschinen-A.-G. v. Klein; поршни n, n охлаждаются водой; впуском в цилиндр управляют клапаны к, к; выпуском - продувочные окна о, о. Несмотря на ряд общеизвестных преимуществ вертикального типа (меньшее трение поршней, лучшее уравновешивание и т. д.), горизонтальная конструкция двигателей газовых получила почти исключительное распространение. Это объясняется тем, что условия эксплуатации двигателей газовых требуют частой переборки и чистки клапанов, и доступность частей в горизонтальных машинах значительно сокращает простой. Кроме того, твердые образования в продуктах горения и механические негорючие загрязнения газа, скопляясь в нижней части цилиндра, легче выдуваются выхлопными газами. Немаловажными преимуществами являются также возможность расположения горизонтальных двигателей в сравнительно низких помещениях и удобство общего наблюдения. Поэтому в настоящее время горизонтальные машины получили исключительную монополию на большие мощности.

Что касается преобладания четырехтактного типа машин, то это надо объяснить большей их экономичностью, ибо необходимая ровная, безвихревая продувка двухтактных двигателей далеко не всегда осуществляется, следствием чего является недостаточная очистка или утечка газа через выхлопные органы двигателя.

Разъемные цилиндры газового двигателя

Современная конструкция в основном лишь немногим отличается от старой, тогда как детали претерпели в течение ряда лет весьма серьезные конструктивные изменения. Эти изменения имели целью достижение большей простоты и взаимозаменяемости деталей и были обусловлены соответственным выбором материала. Стальное литье для цилиндров не нашло себе применения вследствие сложности формы и больших тепловых удлинений стали. Напротив, поршни всех диаметров с большим успехом отливаются в настоящее время из стали. Газовый двигательСледует, впрочем, отметить, что из стали отливают только т. н. нетрущиеся поршни, в то время как материалом для остальных служит чугун. Введение в обиход нетрущихся стальных поршней повлекло за собою усложнение обработки поршневых штоков. Оси последних придается форма, примерно соответствующая очертанию упругой линии нагруженного поршнем штока, подпертого с двух сторон ползунами. В монтированной машине такой гнутый шток прогибается под действием веса поршня и принимает прямолинейное очертание, предохраняя так. обр., поршень от соприкосновения со стенками цилиндра (трутся только уплотнительные кольца). Точное центрирование штока относительно оси цилиндра имеет большое значение для сохранения уплотнений в крышках цилиндров. Тигельную сталь, шедшую раньше на поделку поршневых штоков, удалось с успехом заменить более дешевой, тщательно прокованной мартеновской сталью. Переконструирована также и рама, отливаемая из нескольких частей. Для двигателей больших мощностей цилиндры (фиг. 2) отливаются разъемными по сечению АБ, с водяной рубашкой рр большой емкости. Материал – мягкий и вязкий чугун. В середину цилиндра загоняется букса б из твердого чугуна, могущая свободно расширяться в осевом направлении. Фирма Тиссен отливает неразъемные цилиндры и для больших мощностей.
Газовый двигательНаиболее существенным усовершенствованием надо признать упразднение специального, отдельно приводимого в действие смесительного клапана. В новых конструкциях функции смесительных органов выполняют впускные клапаны; они же осуществляют и регулирование. Помимо упрощения и удешевления распределения и регулирования, это нововведение значительно упростило и ускорило процесс периодической чистки цилиндров; этому обстоятельству новая конструкция (фиг. 3) обязана своим всеобщим распространением.

Смесительная камера газового двигателяВ двигателях воздуходувок обычно имеется ручное регулирование, в противоположность газодинамо, где применяется автоматический регулятор. Причина заключается в различии постоянства нагрузки обоих видов двигателей. Число оборотов двигателей газовых большой мощности обычно невелико - около 100 об/м. Приведение клапанов в действие осуществляется при помощи горизонтального распределительного вала, получающего движение от коленчатого вала посредством промежуточного вала. Регулятор обычно помещается на распределительном или промежуточном валу, чаще всего посредине рамы, воздействуя на газораспределение при помощи так называемого регуляторного валика. Собственно привод клапанов осуществляется часто при помощи катящихся один по другому профилированных рычагов с перемещающимся мгновенным центром вращения. Весьма сильные клапанные пружины n, n (фиг. 4), применение которых вызывается наличием больших масс движущихся частей клапанов к и их приводов, создают серьезные затруднения при применении кулачкового распределения, а поэтому последняя конструкция применяется лишь в двигателях газовых малых мощностей. Значительное распространение имеют и эксцентриковые распределения, главн. образом в двигателях газовых больших мощностей.

Необходимое, с точки зрения газораспределения, перекрывание выхлопного и всасывающего клапанов дает возможность горячим выхлопным газам войти в соприкосновение со свежей смесью, следствием чего бывают взрывы в смесительных органах. Поэтому применение желательного, с точки зрения наилучшего перемешивания газа с воздухом, смесительного резервуара становится невозможным. Смесительная камера с (фиг. 5) должна помещаться в непосредственной близости от седла всасывающего клапана к и быть по возможности малых размеров, а подводящие газ и воздух каналы должны отделяться заслонкой. Желательно ставить предохранительные клапаны. Все двигатели газовые должны снабжаться действующими от руки заслонками на газопроводах до связанных с регулятором смесительных органов. Эти заслонки, не влияя непосредственно на смесеобразование, должны дать возможность машинисту приспособлять процесс смесеобразования к переменному режиму газогенератора и домны. Для подсчетов процесса образования смеси Гелленшмит рекомендует средние числа, приведенные в табл. 1. Регулирование представляет одну из характернейших особенностей этих двигателей.

Средние числа для подсчетов процесса образования смеси в газовом двигателе

Двигатель газовый фирмы Роберт БошЗажигание в тихоходных двигателях большой мощности применяется почти исключительно низкого напряжения, так называемого отрывного действия. В месте разрыва цепи проскакивает искра, весьма горячая даже при низких напряжениях, не превосходящих 100—150 V. Примером подобной конструкции может служить аппарат фирмы Роберт Бош (фиг. 6 и 7). Сидящий на распределительном валу в кулак к отклоняет при своем вращении рычаг р крестообразной формы. Этот рычаг заклинен на цапфе якоря я, помещенного между полюсами 2-х магнитов м, так что отклонение рычага генерирует электрический ток. Приведение рычага в первоначальное положение осуществляется двумя боковыми пружинами n. Крестообразный рычаг свободно связан длинной тягой m с отрывным патроном П, удлиненный конец которого, проникающий в камеру горения, действием особой пружины постоянно прижат к контакту К патрона (фиг. 7), изолированного от стенок цилиндра и соединенного проводом с источником тока. Т. о., в момент отклонения рычага, т. е. в момент генерирования тока, тяга поворачивает отрывной патрон вокруг его оси и, отведя его внутренний конец от контактного патрона, размыкает цепь. Проскакивающая искра воспламеняет смесь. Несмотря на ряд преимуществ описанной системы (надежность действия, простота запального аппарата, длинная и горячая искра), с ней успешно конкурирует зажигание высокого напряжения. Причина лежит в следующем. Для надежного воспламенения смеси ставят по 3—4 свечи с каждой стороны цилиндра, а необходимость синхронизации их работы делает установку зажигания низкого напряжения слишком сложной. В противоположность этому высокое напряжение дает возможность упростить как всю установку, так и коммутацию.

Двигатель газовый фирмы Роберт Бош

Повышение мощности газовых двигателей требовало весьма больших размеров цилиндра. Тиссен дошел до 1500x1500 мм; повышение числа оборотов выше 100 в мин. представлялось нецелесообразным в отношении электрических агрегатов.

Оставался один путь - повышение среднего индикаторного давления.

Диаграммы двигателя газовогоТут наметились два различных метода: 1) использование способа так называемой наддувки, т. е. наполнения цилиндра смесью повышенного давления (этот метод представлял опасность взрывов во всасывающем газопроводе); 2) применение более тщательной очистки цилиндров от продуктов горения, для того чтобы заполнять свежей смесью не только объем, описываемый поршнем, но и камеру сжатия. Далее, наддувку представилось возможным применить в виде дополнительного нагнетания продувочного воздуха в цилиндр в период сжатия. Этот способ позволил увеличить коэффициент наполнения зарядки и тем поднять среднее индикаторное давление. Т. о. мощность удалось повысить на 25—30%. При этом оказалось необходимым увеличить объем камеры сжатия, т. к. в противном случае значительно возрастают усилия в двигателе, что сокращает срок его службы, а неизбежное повышение температуры процесса ведет к преждевременной вспышке.
Конструкция клапана газового двигателяПомимо существенного значения охлаждающего эффекта, производимого продувочным воздухом на стенки, что влечет за собой понижение температуры конца всасывания, описанный способ имеет еще ряд преимуществ: чистое содержание цилиндров улучшает горение и тем способствует повышению и равномерности термического КПД; механический КПД относительно улучшается; ход двигателя становится равномернее, что позволяет уменьшить вес маховика. На фиг. 8 представлены три нормальные диаграммы и им соответственные, снятые со слабой пружиной: I и I' -  принадлежат нормальному двигателю, II и II' - машине с продувкой, III и III' - машине с продувкой и дутьем, т. е. нагнетанием продувочного воздуха после закрытия газового и воздушного каналов. Применяя продувочный воздух давлением в 1,25—1,30 atm, можно достигнуть увеличения наполнения на 25—30%. Действительное давление конца всасывания соответственно возрастает до 1,5 atm вместо обычных 0,95. Как видно из диаграмм, среднее индикаторное давление возрастает с 4,8 до 6,25 atm. Характерна конструкция клапана с тремя каналами (фиг. 9): по верхнему поступает продувочный воздух, по среднему - воздух для рабочей смеси, по нижнему - газ. Управление щелями а, б и в всех трех каналов достигается тремя цилиндрическими золотниками г, д и е, насаженными на стержень всасывающего клапана к. При закрытом всасывающем клапане канал а для сжатого воздуха полностью открыт и закрывается при подъеме клапана, когда открываются щели б и в для воздуха и газа. Регулирование при уменьшении хода происходит так, что сперва перекрывается дроссель з в канале для сжатого воздуха, так что двигатель работает без наддувки, а в дальнейшем происходит дросселирование газа и воздуха. Цилиндр фирмы Тиссен с подобными клапанами развивал 2750 НP при 97 об/мин. Характеристику возможностей, связанных с применением указанного метода, дает табл. 2.

Результаты двухмесячного испытания газового двигателя

Эти данные относятся к двухмесячному испытанию двух двигателей Тиссена, установленных на металлургическом заводе Феникс-Рурорт (Германия). Главные размеры цилиндров и число оборотов в минуту в обеих машинах были одинаковы (1300 х 1400 мм и n= 94), но одна из них была нормальным четырехтактным двигателем, другая же - повышенной мощности. Расходы на обслуживание, воду и смазку были одинаковы; расход тепла на 1 kWh второй машины был ниже. Заслуживает быть отмеченной весьма высокая средняя нагрузка.

Вопрос об использовании тепла отходящих газов возник как следствие появления машин повышенной мощности: в то время как обычные двигатели теряли с отходящими газами до 30—32% подведенного тепла, машины повышенной мощности теряли до 50—52%. Использование отработанных газов было особенно желательно вследствие их высокой температуры (700—750°С). Эта идея практически осуществилась в форме котлов, преимущественно типа дымогарных, отапливаем, отходящими газами. На фиг. 10 приведена схема подобного котла конструкции фирмы Тиссен.

Котел фирмы Тиссен

Большие газовые  двигатели повышенной мощности позволяют рассчитывать на 1 кг пара (давление до 10—14 atm при 350—450°С) с каждого эффективного силочаса, развиваемого двигателем. Используя этот пар в соответствующей машине, можно повысить термический КПД с 26—28 до 31—33%.

Охлаждающая вода также подлежит использованию: она может быть использована непосредственно на цели отопления или варки (в двигателе газовом температура воды, выходящей из водяной рубашки, доходит до 80—90°С), или с помощью маленького котла, сообщающегося с системой охлаждения, превращена в пар (до 3 atm - Тиссен), или, наконец, как то делает MAN, направлена в общий котел, отапливаемый отходящими газами. Термический КПД подобной паросиловой установки может быть доведен до 0,36, в предположении, что расход тепла при 70% нагрузки составляет лишь 2400 Cal на 1 силочас.

Тепловой баланс двигателя Тиссена

Исследование экономичности газосиловых установок дает следующие результаты (по данным Ф. Бартшерера).

1) Установки без использования тепла отходящих газов. При средней нагрузке в 86% и расходе, тепла в 3700 Cal на 1 kWh,

dvigat gaz f1

Учитывая расход энергии на приведение в действие ряда вспомогательных устройств (воздушных и водяных насосов и пр.), приведенный КПД η необходимо понизить. По произведенным измерениям, этот дополнительный расход выражается примерно в 7—8% от общего; поэтому η = 21,5%. 2) Установки с использованием тепла отходящих газов. В табл. 3 приведен примерный тепловой баланс упомянутого выше двигателя Тиссена.

Полагая среднюю паропроизводительность котла в 1,63 кг пара на каждый реально отдаваемый двигателем kWh, что соответственно равняется 1160 Cal, имеем при непосредственном использовании тепла (отопление, варка):

dvigat gaz f2

В случае потребления пара на генерирование тока можно, при пользовании турбодинамо с высокими давлениями, из упомянутых 1,63 кг пара получить 0,338 kWh. В этом случае расход пара в турбине будет равен 4,8 кг на один kWh, и

dvigat gaz f3

Практикуемое в настоящее время весьма высокое давление пара повысит КПД в данном случае до 31,5%, таким образом при 60 atm и 380°С выигрыш составит 10%.

Использование тепла охлаждающей воды, при наличии в системе охлаждения особого парообразовательного устройства, дает при 700 Cal с каждого kWh примерно 0,8—1,0 кг пара на kWh (см. табл. 4).

Использование отходящего тепла газовых двигателей

Для надежности работы двигателя давление пара в рубашке не поднимают выше 2 atm; поэтому пар м. б. использован только в ступени низкого давления турбины, где он разовьет около 0,1 kWh. Таким образом

dvigat gaz f4

Техника безопасности. Двигатели газовые должны быть установлены в отдельных специально для этого устроенных помещениях. Только при особых условиях работы допускается установка двигателей газовых в рабочих помещениях, но при обязательном отделении их решетками или перилами высотой не менее 1 м со сплошной зашивкой внизу на высоту не менее 18 см. Двигатели газовые должны устанавливаться на прочных фундаментах, не связанных со стенами здания; высота помещения должна быть не менее 4 м, а ширина и длина таковы, чтобы около двигателя или агрегата с ограждениями оставался свободный проход не менее 1 м шириной. Освещение д. б. достаточным для безопасного обслуживания двигателей газовых. Вентиляция должна обеспечить правильный приток чистого воздуха и температуру не свыше 26°С. Наинизшая температура д. б. не менее 10°С. Все ямы, углубления (например, для маховика), отверстия в полах и мостки в помещении двигателей газовых должны быть ограждены перилами в 1 м со сплошной зашивкой по низу высотой в 18 см. Если двигатели газовые имеет части, которые нельзя безопасно обслуживать с пола, то д. б. устроены площадки и лестницы с перилами высотой в 1 м и зашивкой по низу на 18 см. Проходы под канатами и ремнями должны быть перекрыты прочной и надежно укрепленной конструкцией. Все доступно расположенные движущиеся части двигателей газовых должны быть ограждены прочными решетками, перилами или футлярами. Отработанные газы двигателей газовых должны удаляться в атмосферу через достаточно высокую отводящую трубу (желательно выше конька крыш соседних зданий). Для уменьшения шума объем глушителя д. б. не менее пятикратного объема рабочего хода одного цилиндра; исключение допускается для глушителей специальной конструкции; самый глушитель должен располагаться снаружи вне помещения двигателей газовых. Выхлопные и отводящие трубы д. б. изолированы в пределах машинного отделения (опасность ожогов) и не должны соприкасаться с горючим материалом (пожарная опасность). Ряд мер имеет в виду предотвратить опасность от проникновения газа: 1) подводящая газ труба д. б. снабжена автоматическим запорным клапаном непосредственно на патрубке двигателя, 2) поршень, клапаны и сальники двигателей газовых должны быть достаточно плотны и 3) кроме нормального запорного клапана, должен иметься дополнительный, легко доступный, по возможности в помещении самого двигателя. Во избежание катастрофы от случайной остановки регулятора конструкция передачи к последнему должна обеспечивать надежность действия; поэтому не допускается передача ременная или шнуровая.

Одним из наиболее опасных моментов является пуск двигателя газового в ход. Для 4-тактных двигателей мощностью свыше 15 НP и 2-тактных свыше 25 НP должны устраиваться специальные автоматические пусковые приспособления (сжатым воздухом, отработанными газами, электричеством и т. п.). Для более мелких двигателей должны иметься ручные приспособления, обеспечивающие легкий и безопасный пуск их в ход. Ручная смазка, как безусловно опасная, д. б. заменена самодействующей для крейцкопфов, кривошипов, коленчатых валов, эксцентриков, направляющих и сальников.

Правила техники безопасности для газогенераторов - см. Газогенераторы.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 6 - 1929 г.