способ охлаждения дизеля тепловоза

Формула изобретения

Способ охлаждения дизеля тепловоза, заключающийся в том, что теплоотводы от теплоносителей дизеля осуществляют в охлаждающем устройстве, состоящем из холодильных камер, каждая из которых снабжена тремя, или четырьмя, или пятью, или шестью вентиляторами с электродвигателями постоянной или переменной частоты вращения, постоянного или переменного тока, отличающийся тем, что теплоотводы от теплоносителей дизеля осуществляют раздельно или совместно в одной или в разделенных по воздушной среде двух или трех холодильных камерах, вентиляторы каждой из которых последовательно включают в работу, или последовательно отключают в соответствии с заданными интервалами температур наружного воздуха, или в соответствии с заданными интервалами температур наружного воздуха и заданными интервалами мощности дизеля, или заданными интервалами мощности дизеля, при этом при включении вентиляторов их коллектора открывают, а при выключении закрывают.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и касается способов охлаждения дизелей тепловозов.

Известен способ охлаждения дизеля тепловоза, заключающийся в осуществлении теплоотвода в холодильных камерах, при этом часть воды воздухоохладителя и охладителя масла дизеля в летний период охлаждают в холодильной камере охлаждения воды дизеля, а в зимний период при температуре наружного воздуха ниже нуля градусов Цельсия всю воду воздухоохладителя и охладителя масла дизеля охлаждают в холодильной камере охлаждения воды дизеля или воду воздухоохладителя и охладителя масла дизеля в летний период охлаждают частями в двух холодильных камерах охлаждения воды дизеля, а в зимний период при температуре наружного воздуха ниже нуля градусов Цельсия всю воду воздухоохладителя и охладителя масла дизеля поочередно охлаждают в одной из них, при этом другую камеру отключают (патент РФ №2207266, кл. В 61 С 5/02).

Недостатками такого способа являются его недостаточная эффективность в климатических зонах, отличных от умеренной, в зонах с тропическим климатом или с холодным климатом, а также недостаточно полный учет ограничений и особенностей характеристик вентиляторов и их двигателей, в частности их экономических характеристик и ограничений по числу оборотов (например, вентилятора типа УК-2М и асинхронного двигателя типа АМВР-37).

Техническим результатом изобретения является обеспечение наибольшей экономической эффективности охлаждения дизеля тепловоза в любых климатических зонах и при любом использовании мощности дизеля, снижение мощности, потребляемой охлаждающим устройством (ОУ), снижение мощности двигателей вентиляторов и исключение системы их охлаждения, обеспечение работы вентиляторов в зоне максимальных КПД во всех режимах работы, повышение качества температурных параметров теплоносителей, повышение технологичности сборки и ремонтов ОУ, упрощение его эксплуатации, экономия моторесурса ОУ.

Технический результат достигается тем, что в способе охлаждения дизеля тепловоза, заключающемся в том, что теплоотводы от теплоносителей дизеля осуществляют в охлаждающем устройстве, состоящем из холодильных камер, каждая из которых снабжена тремя, или четырьмя, или пятью, или шестью вентиляторами с электродвигателями постоянной или переменной частоты вращения, постоянного или переменного тока, теплоотводы от теплоносителей дизеля осуществляют раздельно или совместно в одной, или в разделенных по воздушной среде двух или трех холодильных камерах, вентиляторы каждой из которых последовательно включают в работу или последовательно отключают в соответствии с заданными интервалами температур наружного воздуха, или в соответствии с заданными интервалами температур наружного воздуха и заданными интервалами мощности дизеля, или заданными интервалами мощности дизеля, при этом при включении вентиляторов их коллектора открывают, а при выключении закрывают.

Такой способ охлаждения дизеля тепловоза приводит к обеспечению наибольшей экономической эффективности охлаждения дизеля тепловоза в любых климатических зонах и при любом использовании мощности дизеля, снижению мощности, потребляемой охлаждающим устройством (ОУ), снижению мощности двигателей вентиляторов и исключению системы их охлаждения, обеспечению работы вентиляторов в зоне максимальных КПД во всех режимах работы, повышению качества температурных параметров теплоносителей, повышению технологичности сборки и ремонтов ОУ, упрощению его эксплуатации, экономии моторесурса ОУ.

Предлагаемый способ охлаждения дизеля тепловоза реализован в устройстве, представленном на чертежах, где:

на фиг.1 изображено однокамерное с тремя вентиляторами охлаждающее устройство дизеля тепловоза, реализующее способ охлаждения, общий вид;

на фиг.2 изображен вид сверху на фиг.1;

на фиг.3 изображено однокамерное с пятью вентиляторами охлаждающее устройство дизеля тепловоза, реализующее способ охлаждения, общий вид;

на фиг.4 изображен вид сверху на фиг.3;

на фиг.5 изображено охлаждающее устройство дизеля тепловоза, состоящее из двух холодильных камер, в каждой из которых установлено по четыре вентилятора, реализующее способ охлаждения, общий вид;

на фиг.6 изображен вид А на фиг.3;

на фиг.7 изображена гидравлическая схема однокамерного с тремя вентиляторами охлаждающего устройства дизеля тепловоза по фиг.1;

на фиг.8 изображена гидравлическая схема охлаждающего устройства дизеля тепловоза, состоящего из двух холодильных камер, в каждой из которых установлено по четыре вентилятора, по фиг.5.

Охлаждающее устройство (ОУ) дизеля тепловоза может состоять из холодильных камер (ХК) 1 или 2 и 3, радиаторов воды дизеля и охладителя масла дизеля 4, радиаторов воды воздухоохладителя 5, радиаторов воды дизеля 6, радиаторов масла дизеля 7, коллекторов 8, вентиляторов 9, двигателей вентиляторов 10, ограждений 11, жалюзи 12, аппаратуры управления 13, дизеля 15, воздухоохладителя 16, охладителя масла дизеля 17, насоса воды дизеля и охладителя масла 18, насоса воды воздухоохладителя 19, напорного трубопровода воды дизеля 20, сливного трубопровода воды дизеля 21, напорного трубопровода воды воздухоохладителя 22, сливного трубопровода воды воздухоохладителя 23, расширительного бака 24, водяного насоса 25, сливного трубопровода 26, масляного насоса 27, напорного трубопровода масла 28, сливного трубопровода масла 29, вентилей 30, вентиля охладителя масла дизеля 31, коллекторов вентиляторов 32, спрямляющих аппаратов 33, направляющих аппаратов 34.

Охлаждающее устройство дизеля тепловоза работает следующим образом (фиг.1 - 8). При однокамерном исполнении ОУ (холодильные камеры 1) или при двухкамерном исполнении (холодильные камеры 2 и 3) годовой цикл работы тепловоза в зоне с умеренным климатом может быть разбит на три температурных интервала: летний (Л), зимний (З) и период повышенных температур наружного воздуха (ПТ). В летний период при включении дизеля 15 включаются насосы воды дизеля и охладителя масла 18 и воды воздухоохладителя 19 или насосы воды дизеля 18, воды воздухоохладителя 19 и масла 27. Вода дизеля и охладителя масла и вода воздухоохладителя или вода дизеля, вода воздухоохладителя и масло по напорным трубопроводам соответственно 20 и 22 или 20, 22 и 28 через коллекторы 8 поступают в соответствующие радиаторы 4 и 5 холодильных камер 1, или в соответствующие радиаторы 6, 5 и 7 холодильных камер 2 и 3, где охлаждаются потоками воздуха, заключенными в ограждения 11, создаваемыми вентиляторами 9, вращаемыми двигателями вентиляторов 10, управляемыми аппаратурой управления 13, и по соответствующим сливным трубопроводам 21, 23 и 29 насосами 18, 19 и 29 вновь подается в охладитель масла дизеля 17 и далее в дизель 15 и воздухоохладитель 21 или непосредственно в дизель 20 и воздухоохладитель 16. При этом вентиляторы 9, предназначенные для работы в период повышенных температур (период ПТ), остаются в отключенном состоянии, двигатели 10 этих вентиляторов выключены, а спрямляющие аппараты вентиляторов 33, размещенные в их коллекторах 32, или направляющие аппараты 34, размещенные в коллекторах 32 или в ограждениях коллекторов 11, закрыты. Отключение этих вентиляторов, производимое по сигналам датчика температур наружного воздуха 14, обеспечивает работу вентиляторов 9 и их двигателей 10 в зонах их максимальных КПД в период Л при колебаниях температуры наружного воздуха в заданных пределах и колебаниях мощности дизеля. При этом оптимальные режимы работы вентиляторов и двигателей внутри интервала Л, в том числе и отключение части вентиляторов этого интервала в зависимости от мощности дизеля, обеспечиваются аппаратурой управления 13 по оптимальным температурным параметрам теплоносителей.

При повышении температуры наружного воздуха выше средней летней температуры и наступлении интервала ПТ датчик температуры наружного воздуха 14 выдает сигнал на открытие спрямляющих 33 или направляющих 34 аппаратов и двигателей 10 вентиляторов 9, предназначенных для работы в период ПТ. При этом эти вентиляторы включаются в работу, что исключает перегрев теплоносителей и сохраняет оптимальные режимы работы вентиляторов и ОУ в целом в интервале ПТ.

При понижении температуры наружного воздуха в период Л до уровня, соответствующего наступлению интервала З (зимний режим), датчик температуры наружного воздуха 14 выдает сигнал на закрытие спрямляющих 33 или направляющих 34 аппаратов и двигателей 10 вентиляторов 9, предназначенных для работы в период Л (вентиляторы интервала ПТ отключены ранее). При этом эти вентиляторы выключаются из работы, что исключает переохлаждение теплоносителей и перерасход мощности дизеля на его охлаждение и сохраняет оптимальные режимы работы вентиляторов и ОУ в целом в интервале З.

Сравнительные расчетные данные предлагаемого способа охлаждения дизеля тепловоза по сравнению с существующим способом охлаждения дизеля с помощью обычного ОУ, содержащего два регулируемых числом оборотов, но не отключаемых вентилятора, приведены в таблице 1. Расчетные данные приведены для тепловоза мощностью 2500 кВт с двухконтурным ОУ, охлаждением масла дизеля в горячем контуре, вентиляторами типа УК-2М, электродвигателями типа АМВР-37 переменного числа оборотов с n_max=1500 об/мин, с радиаторами типа Р-62, при компоновке с просасывающими вентиляторами по фиг.1:

Таблица 1
Тип ОУ	Кол-во камер и вентиляторов	Кол-во радиаторов в ОУ	Диаметр вентиля тора м	Мощность двигателя кВт	Установочная мощность ОУ, кВт	Среднегодовая мощность, потребляемая ОУ, кВт	Затраты мощности дизеля на ОУ, %
Существующий	1 камера 2 - вентилятора	42	1,4	54	108	31	1.24
Предлагаемый	1 камера 2 - вентилятора	42	1,4	54	108	35	1.4
	1 камера 3 - вентилятора	42	1,25	30	90	31	1,24
	1 камера 5 - вентиляторов	42	1,1	15,5	78	24	0,96
	2 камеры 8 - вентиляторов	42	0,96	9	72	22	0,88

Алгоритмы работы (количество работающих вентиляторов по интервалам температур наружного воздуха), приведенные в таблице 1 ОУ, и величины коэффициентов полезного действия вентиляторов, электромоторов и системы в целом в этих интервалах приведены в таблице 2, соответствующие потери мощности в одном вентиляторе и моторе, подлежащие отводу, приведены в таблице 3, а суммарные потери мощности в вентиляторах и моторах ОУ приведены в таблице 4.

Таблица 2
Тип ОУ	Кол-во камер и вентиляторов		Параметры			Интервалы температур наружного воздуха, °С																Среднегодовые
						40÷30		30÷20		20÷10		10÷0		0÷-10		-10÷-20		-20÷-30		-30÷-40
Существующий	1 камера 2 - вентилятора		Алгоритм			2		2		2		2		2		2		2		2		2
			КПД%		вентилятор	74,8		73,8		72,8		71,5		69,3		67,8		67		65,3		71
					мотор	89		73		56,9		46,4		41,8		36,6		29,7		26,1		48,7
					система	66,6		53,9		41,4		33,2		29		24,8		19,9		17		34,6
Предлагаемый	1 камера 2 - вентилятора		Алгоритм			2		2		2		1		1		1		1		1		1,36
			КПД%		вентилятор	74,8		73,8		75,5		78		77,8		77,6		77		76,5		76,9
					мотор	89		73		74,6		78,1		64,4		54,1		46,4		40,2		70,1
					система	66,6		53,9		56,3		60,9		50,1		42		35,7		30,8		53,9
	1 камера 3 -вентилятора		Алгоритм			3		2,5		2		1,5		1		1		1		1		1,52
			КПД%		вентилятор	71,5		73,2		75		77,2		80		80		79,5		78,7		77,3
					мотор	88		81,3		73,2		72,3		78,7		66,7		57,7		50,3		73,8
					система	62,9		59,5		54,9		55,8		63		53,4		45,9		39,6		57,1
	1 камера 5 - вентилятора		Алгоритм			5		4,5		3,5		3		2,5		2		1,5		1		2,98
			КПД%		вентилятор	67,7		68,8		71,7		73		74,8		76,5		77,8		79,2		73,3
					мотор	89,5		78,2		71,1		63,5		60,2		59,8		67,7		80		65,6
					система	60,6		53,8		51		46,4		45		45,7		52,7		63,4		48,1
	2 камеры 8 - вентиляторов		Алгоритм			8		7		5		3,5		2,5		2		2		2		3,73
			КПД %		вентилятор	62,7		64,3		69,8		74		76,8		78		77,5		77,2		73,3
					мотор	91,2		81,7		76,7		77,3		81,9		83,4		71,9		61,6		79
					система	57,2		52,5		53,5		57,2		62,9		65,1		55,7		47,6		57,9
Таблица 3
Тип ОУ		Кол-во камер и вентиляторов		Параметры			Интервалы температур наружного воздуха, °С															Среднегодовые
							40÷30		30÷20		20÷10		10÷0		0÷-10		-10÷-20		-20÷-30		-30÷-40
Существующий		1 камера 2-венти-лятора		Алгоритм			2		2		2		2		2		2		2		2	2
				Потери, кВТ	вентилятор		10,7		6,32		3,24		1,88		1,27		0,89		0,62		0,47	2,28
					мотор		4,54		7,95		8,57		7,46		5,76		4,74		4,45		3,77	7,04
					система		15,2		14,3		11,8		9,34		7,03		5,63		5,07		4,24	9,32
Предлагаемый		1 камера 2 - вентилятора		Алгоритм			2		2		2		1		1		1		1		1	1,36
				Потери, кВТ	вентилятор		10,7		6,32		6,3		5,5		3,83		2,41		1,61		1,13	4,97
					мотор		4,54		7,95		7,66		7,69		10,7		8,88		7,98		7,03	8,57
					система		15.2		14,3		14		13,2		14,5		11,3		9,6		8,16	13,5
		1 камера 3 - вентилятора		Алгоритм			3		2,5		2		1,5		1		1		1		1	1,52
				Потери, кВТ	вентилятор		6,95		5,27		3,68		3,28		3,64		2,3		1,56		1,13	3,48
					мотор		2,73		4,39		5,02		4,92		4,63		5,56		5,52		5,22	4,92
					система		9,68		9,66		8,7		8,2		8,27		7,86		7,08		6,35	8,4
		1 камера 5 - вентилятора		Алгоритм			5		4,5		3,5		3		2,5		2		1,5		1	2,98
				Потери, кВТ	вентилятор		3,97		2,64		1,81		1,28		1,03		0,96		1,32		2,04	1,43
					мотор		1,3		2,22		2,56		2,61		2,66		2,68		2,47		2,54	2,59
					система		5,27		4,86		4,37		3,89		3,69		3,64		3,79		4,58	4,02
		2 камеры 8 - вентиляторов		Алгоритм			8		7		5		3,5		2,5		2		2		2	3,73
				Потери, кВТ	вентилятор		2,67		1,78		1,28		1,16		1,33		1,27		0,85		0,58	1,28
					мотор		0,63		1,09		1,28		1,31		1,11		1,09		2,22		1,57	1,23
					система		3,3		2,87		2,56		2,47		2,44		2,36		3,07		2,15	2,51

Таблица 4
Тип ОУ	Кол-во камер и вентиляторов	Параметры		Интервалы температур наружного воздуха, °С								Среднегодовые
				40÷30	30÷20	20÷10	10÷0	0÷-10	-10÷-20	-20÷-30	-30÷-40
Существующий	1 камера 2 - вентилятора	Алгоритм		2	2	2	2	2	2	2	2	2
		Потери, кВТ	вентилятор	21,4	12,6	6,47	3,76	2,54	1,78	1,25	0,95	4,56
			мотор	9,08	15,9	17,1	14,9	11,5	9,48	8,9	7,76	14,1
			система	30,5	28,5	23,6	18,7	14,1	11,3	10,2	8,71	18,7
Предлагаемый	1 камера 2 - вентилятора	Алгоритм		2	2	2	1	1	1	1	1	1,36
		Потер и, КВТ	вентилятор	21,4	12,6	12,6	5,5	3,83	2,41	1,61	1,13	7,23
			мотор	9,08	15,9	15,3	7,69	10,7	8,88	7,98	7,03	11,35
			система	30,5	28,5	27,9	13,2	14,5	11,3	9,6	8,2	18,58
	1 камера 3 - вентилятора	Алгоритм		3	2,5	2	1,5	1	1	1	1	1,52
		Потери, КВТ	вентилятор	20,9	13,2	7,36	4,92	3,64	2,3	1,56	1,13	5,51
			мотор	8,19	11	10	7,38	4,63	5,56	5,52	5,22	7,42
			система	29	24,2	17,4	12,3	8,27	7,86	7,08	6,35	12,9
	1 камера 5 - вентилятора	Алгоритм		5	4,5	3,5	3	2,5	2	1,5	1	2,98
		Потери, КВТ	вентилятор	19,9	11,9	6,34	3,84	2,58	1,92	1,98	2,04	4,54
			мотор	6,3	10	8,96	7,83	6,65	5,36	3,71	2,54	7,66
			система	26,2	21,9	15,3	11,7	9,23	7,28	5,69	4,58	12,1
	2 камеры 8 - вентиляторов	Алгоритм		8	7	5	3,5	2,5	2	2	2	3,73
		Потер и, КВТ	вентилятор	21,4	13,6	6,49	4,07	3,24	2,54	1,71	1,17	4,98
			мотор	5,04	8,04	6,4	4,57	2,89	2,17	2,86	3,14	4,63
			система	26,4	21,6	12,9	8,64	6,13	4,71	4,57	4,31	9,61

Как видно из таблицы 1, в предлагаемом ОУ единичная мощность электродвигателя снижается с 54 до 9 кВт, а установочная со 108 до 72 кВт, при этом затраты мощности дизеля на ОУ снижаются на 29%.

Из таблицы 2 следует, что если обычные ОУ имеют максимальный КПД в наименее редко встречающихся режимах при 40°С (в режимах с минимальным весовым коэффициентом), то предлагаемые ОУ обеспечивают максимальные КПД в режимах с максимальным весовым коэффициентом (+20°С - минус 20°С). При этом КПД вентилятора возрастает с 71 до 77,3%, электродвигателя с 48,7 до 79%, а системы в целом с 34,6 до 57,9%.

Из таблицы 3 видно, что потери мощности в вентиляторах и электродвигателях обычных ОУ достигают соответственно 10,7 и 8,57 кВт, а в предлагаемом ОУ они понижаются соответственно до 2,67 и 2,22 кВт, что говорит о том, что в отличие от существующих ОУ для предлагаемых ОУ дополнительная система охлаждения электродвигателя не требуется.

Из таблицы 4 видно, что среднегодовые потери мощности ОУ в предлагаемых ОУ понижаются с 18,7 кВт до 9,61 кВт, т.е. на 48,6%.

При применении многовентиляторных ОУ, позволяющих применение наддувочной компоновки по фиг.3 и 5, необходимые мощности электродвигателей, затраты мощности на ОУ и потери мощности уменьшаются дополнительно за счет уменьшения потерь с динамическим напором, обеспечиваемого этими компоновками.

Это и приводит к обеспечению наибольшей экономической эффективности охлаждения дизеля тепловоза в любых климатических зонах и при любом использовании мощности дизеля, снижению мощности, потребляемой охлаждающим устройством (ОУ), снижению мощности двигателей вентиляторов и исключению системы их охлаждения, обеспечению работы вентиляторов в зоне максимальных КПД во всех режимах работы, повышению качества температурных параметров теплоносителей, повышению технологичности сборки и ремонтов ОУ, упрощению его эксплуатации, экономии моторесурса ОУ