Системы охлаждения дизелей тепловозов: устройство, схемы и принцип работы

Системы охлаждения дизелей тепловозов представляют собой совокупность специализированных устройств и агрегатов, обеспечивающих принудительный отвод и последующее рассеяние в атмосфере избыточной теплоты, образующейся в процессе работы дизельного двигателя. Эффективность этих систем напрямую влияет на мощность, экономичность и ресурс силовой установки локомотива.

Отвод теплоты непосредственно от дизеля (от рабочих цилиндров, крышек, поршневой группы, турбокомпрессора, а также при охлаждении наддувочного воздуха после сжатия) осуществляется с помощью промежуточных теплоносителей. Эти жидкие среды циркулируют в замкнутых контурах, перенося тепловую энергию от нагретых деталей двигателя к рассеивающим устройствам — радиаторам.

В тепловозах применяются два основных типа систем: водяная и масляная. В водяной системе теплоносителем служит вода или антифризы (смеси этиленгликоля с водой). Масляная система использует циркулирующее моторное масло, которое, помимо смазки трущихся узлов дизеля, выполняет функцию отвода тепла от поршневой группы и подшипников коленчатого вала, выступая в роли вторичного теплоносителя.

Для оптимизации теплообмена в схеме часто предусмотрены промежуточные теплообменники: водомасляные и водовоздушные. С их помощью теплота, отведенная от масла или наддувочного воздуха, передается основному теплоносителю — воде, после чего рассеивается в атмосфере. Это позволяет повысить общую эффективность системы и компактность оборудования.

Основными элементами охлаждающих устройств тепловозных дизелей являются теплообменники различных типов (водовоздушные, масловоздушные, водомасляные), а также вентиляторы и их приводные механизмы. Конструкция этих элементов определяет способность системы поддерживать оптимальный тепловой режим двигателя в широком диапазоне климатических условий.

Согласно основному уравнению теплопередачи, количество теплоты Q, отводимой от теплоносителя к атмосферному воздуху, прямо пропорционально площади теплопередающей поверхности F и разности температур ΔT между теплоносителем и воздухом: Q = k × F × ΔT, где k — коэффициент теплопередачи. Это фундаментальное соотношение определяет требования к габаритам и конструкции радиаторов.

Поскольку температурный напор ΔT ограничен физическими свойствами воды (температура обычно не превышает 90–95 °С) и климатическими условиями (расчетная температура воздуха до 40–45 °С), эффективное охлаждение мощных дизелей требует значительных площадей поверхностей. Для достижения необходимой компактности при большой площади применяется дробление потоков на множество мелких струй в трубках малого сечения и внешнее оребрение.

В качестве радиаторов используются многотрубные теплообменники с внешним оребрением, выполняемые в виде секций или монолитных блоков. Типовая радиаторная секция состоит из коллекторов и трубок плоскоовального сечения, припаянных к трубным решеткам. Оребрение может быть коллективным (общим для пучка трубок) или индивидуальным. Секции крепятся к водяным коллекторам охлаждающего устройства, образуя фронт охлаждения.

По конструкции поверхности охлаждения различают трубчато-пластинчатые, трубчато-ленточные и пластинчато-ребристые радиаторы. На отечественных тепловозах преимущественно используются типовые секции трубчато-пластинчатого типа с коллективным оребрением медными пластинами толщиной 0,1 мм. Шаг оребрения составляет 2,3 мм (площадь поверхности 29,5 м²) или 2,83 мм (площадь 21,0 м²). Коэффициент теплопередачи в рабочих режимах достигает 50–60 Вт/(м²·К).

По способу подвода охлаждающего воздуха различают устройства всасывающего и нагнетательного типов. В системах всасывающего типа вентилятор расположен в верхней части шахты над радиаторами. Разрежение, создаваемое вентилятором, засасывает воздух через боковые жалюзи и радиаторы, после чего нагретый воздух выбрасывается вверх. В системах нагнетательного типа вентилятор находится снизу, продувая воздух через радиаторы с высокой скоростью, что повышает эффективность теплообмена.

Рис. 2.3.3. Схемы систем охлаждающих устройств тепловозов: а - с раздельным воздушным охлаждением воды и масла; б - с водяным охлаждением масла и двухконтурной водяной системой; 1 - водовоздушные радиаторы; 2 - масловоздушные радиаторы; 3 - масляный насос; 4 и 6 - водяные насосы соответственно первого и второго контура; 5 - водомасляный теплообменник

В практике тепловозостроения применяются две основные схемы охлаждения. Первая схема (рис. 2.3.3, а) предполагает раздельное охлаждение воды в водовоздушных радиаторах 1, а масла — в масловоздушных радиаторах 2. Она проста и применялась на тепловозах ТЭ3 и ТЭМ2, но малоэффективна для мощных форсированных дизелей из-за низкого коэффициента теплопередачи масловоздушных секций.

Вторая, более совершенная схема (рис. 2.3.3, б) использует двухконтурное охлаждение. Вода циркулирует в двух независимых контурах: один охлаждает непосредственно дизель, второй служит для охлаждения масла в водомасляном теплообменнике 5. После этого вода из обоих контуров направляется в общие водовоздушные радиаторы 1. Такая схема применена на тепловозах 2ТЭ10, 2ТЭ116 и ТЭП70, позволяя уменьшить габариты радиаторной части.

В обеих схемах циркуляцию теплоносителей обеспечивают масляные 3 и водяные насосы (4 в первой схеме; 4 и 6 — во второй). Воздух для наддува дизеля обычно охлаждается в воздухоохладителе водой, а на тепловозах с гидропередачей теплота от последней отводится рабочей жидкостью (маслом) через дополнительные теплообменники.

Современные тепловозы оснащаются системами, улучшающими эксплуатацию в зимних условиях. К ним относятся системы внутрикамерной рециркуляции воздуха для подогрева радиаторов и устройства автоматического слива воды из системы в бак при неработающем дизеле для предотвращения замерзания. Отключение охлаждающего устройства при "горячем" отстое позволяет снизить расход топлива.

Размещение основных частей охлаждающих устройств. Основные элементы — радиаторные секции, коллекторы, вентиляторы с приводом и воздуховоды — образуют камеру охлаждения, называемую шахтой. На грузовых тепловозах она расположена в концевой части кузова, на маневровых — в головной части, на пассажирских — между задней кабиной и дизельным помещением.

Рис. 2.3.4. Схемы размещения радиаторов и вентиляторов охлаждающих устройств на тепловозах серий: a-2ТЭ10В (М, У); б-ТЭП60; в - 2ТЭ116; г - ТГ16; д - ТЭ109; 1 - боковые жалюзи; 2 и 3 - секции радиаторов; 4 - вентилятор; 5 - диффузор вентилятора; 6 - верхние жалюзи; 7 - горизонтальный лист (потолок) шахты; 8 - арка; 9 - коллектор; 10- карданный вал привода вентилятора; 11 - редуктор; 12 - гидромотор привода вентилятора; 13 - электродвигатель привода вентилятора

В боковых стенках шахты расположены воздухоприемные поворотные жалюзи 1 и радиаторные секции 2 и 3, к которым по коллекторам 9 подводится охлаждающая жидкость. В центре камеры (в арке 8) размещен вентилятор 4, создающий разрежение. Воздух засасывается через боковые жалюзи, проходит через радиаторы, нагревается и выбрасывается вентилятором через верхние жалюзи 6 в атмосферу. Регулирование температуры осуществляется открытием или закрытием жалюзи.

Привод вентилятора охлаждения может быть различных типов. На тепловозе 2ТЭ10В (рис. 2.3.4, а) применяется механический привод через редуктор 11 и карданный вал 10 непосредственно от вала дизеля. На ТЭП60 (рис. 2.3.4, б) и ТГ16 (рис. 2.3.4, г) используется индивидуальный гидростатический привод 12, а на 2ТЭ116 (рис. 2.3.4, в) и ТЭ109 (рис. 2.3.4, д) — электрический привод 13.

В качестве вентиляторов на отечественных тепловозах широко применяются низконапорные осевые восьмилопастные модели типа УК-2М (ЦАГИ). Количество вентиляторов (от одного до четырех) и диаметр лопастей (от 1100 до 2000 мм) зависят от необходимой мощности охлаждения и компоновки шахты. Например, на 2ТЭ116 установлены четыре вентилятора диаметром 1100 мм, а на 2ТЭ10 — один вентилятор диаметром 2000 мм.

На некоторых тепловозах, например, ТГ16 (рис. 2.3.4, г), традиционная шахта отсутствует: вентиляторы и радиаторы размещены под крышей машинного помещения непосредственно над дизелем. Это позволяет экономить пространство и улучшает доступ к оборудованию, но требует особых решений для отвода горячего воздуха.

Вспомогательные теплообменники — водомасляные и воздухоохладители — располагаются, как правило, в непосредственной близости от дизеля. На дизелях типа Д49 они монтируются непосредственно на двигателе, на других моделях (2ТЭ10В, ТЭП60) водомасляные теплообменники устанавливаются рядом в машинном помещении для удобства обслуживания.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Анисимов П.С., Винокуров В.А., Воробьев В. И., и др.

Источник: Подвижной состав железных дорог

Данные публикации будут полезны студентам железнодорожных специальностей (эксплуатация железных дорог, подвижной состав), начинающим специалистам в области локомотивостроения и эксплуатации тягового подвижного состава, а также всем, кто интересуется устройством, классификацией и современными тенденциями развития железнодорожной техники.