Мощность, затрачиваемая на нагнетатель

М ощность, затрачиваемая на вращение крыльчатки нагнетателя, может быть подсчитана по формуле

Где G_сек—секундный расход воздуха через нагнетатель в кг/сек;

L_ад—теоретическая работа, называемая адиабатической работой, которую нужно затратить на сжатие и подачу 1 кг воздуха, в кгм\кг;

η_с—эффективный коэффициент полезного действия нагнетателя.

Из формулы видно, что мощность, затрачиваемая на вращение крыльчатки нагнетателя, растет прямо пропорционально количеству воздуха, проходящего через нагнетатель в единицу времени, и величине работы, расходуемой на сжатие и нагнетание I кг воздуха. Кроме того, мощность, затрачиваемая на нагнетатель, будет тем больше, чем больше в нем гидравлические потери, т. е. чем меньше его к. п. д. η_с.

Т ак как нагнетатель подает воздух в двигатель, развивающий определенное число оборотов и имеющий определенный рабочий объем цилиндров, то секундный расход воздуха G_сек может быть подсчитан по формуле для часового расхода из выражения

где γ_k—плотность воздуха на впуске при давлении р_к и температуре Т_К на выходе из нагнетателя, в кг\м³.

Отношение давления наддува к давлению на входе в нагнетатель называется степенью повышения давления в нагнетателе:

А диабатическая работа будет тем больше, чем выше температура воздуха, поступающего в нагнетатель, и чем больше заданная степень повышения давления. Величина адиабатической работы, которая может быть получена от нагнетателя, тем больше, чем больше окружная скорость крыльчатки. В теории нагнетателей доказывается, что величина адиабатической работы, которая может быть получена от нагнетателя, связана с окружной скоростью крыльчатки следующим выражением:

где u₂— окружная скорость крыльчатки в м/сек;

g— ускорение силы тяжести в м/сек²;

η_h—коэффициент полезного действия, характеризующий степень преобразования кинетической энергии на окружности колеса в адиабатическую работу.

Из последней формулы видно, что адиабатическая работа прямо пропорциональна квадрату окружной скорости крыльчатки. Так как для данного нагнетателя диаметр крыльчатки имеет определенный размер, то окружная скорость будет пропорциональна числу оборотов крыльчатки, а адиабатическая работа, очевидно, — квадрату числа оборотов крыльчатки или, при заданном передаточном числе к крыльчатке нагнетателя, — квадрату числа оборотов двигателя, т. е.

где А — постоянный коэффициент.

Из последней формулы следует, что величина работы, подводимой к 1 кг воздуха в крыльчатке нагнетателя, зависит только от числа оборотов крыльчатки. Если число оборотов крыльчатки постоянно, то постоянна и величина адиабатической работы.

Допустим, что крыльчатка данного нагнетателя вращается с постоянным числом оборотов и, следовательно, величина адиабатической работы имеет определенное постоянное значение. При L_ад= const, степень повышения давления в нагнетателе будет изменяться в зависимости от температуры воздуха Т_Н на входе. С повышением температуры степень повышения давления уменьшается, а с понижением Т_Н, наоборот, растет таким образом, что вся правая часть формулы сохраняет постоянную величину, равную L_ад. Это свойство центробежных нагнетателей проявляется при работе двигателя с постоянным числом оборотов на разных высотах, где падение температуры окружающего воздуха с высотой приводят к увеличению степени повышения давления.

В процессе сжатия воздуха в нагнетателе температура его повышается. Разность температур воздуха на выходе и входе в нагнетатель называется подогревом воздуха в нагнетателе.

Подогрев воздуха в нагнетателе прямо пропорционален величине адиабатической работы и тем больше, чем меньше к. п. д. нагнетателя. Так как адиабатическая работа пропорциональна квадрату числа оборотов нагнетателя (или двигателя), то для данного нагнетателя, имеющего к. п. д. определенной величины, подогрев М изменяется также пропорционально квадрату числа оборотов и при постоянном числе оборотов остается постоянным вне зависимости от давления и температуры воздуха на входе в нагнетатель. Для приводных центробежных нагнетателей поршневых двигателей величина подогрева воздуха составляет Δt= 70÷150° С.

Как указывалось выше, из всей работы или мощности, подведенной к валу крыльчатки, только часть преобразуется в работу сжатия, а остальная часть затрачивается на преодоление механических и гидравлических потерь.

Отношение работы, теоретически необходимой для сжатия воздуха до заданного давления, т. е. адиабатической работы L_АД, к полной работе L_ПОЛ, подведенной к валу крыльчатки, называется эффективным к. п. д. нагнетателя η_C.

Для нагнетателей поршневых двигателей величина эффективного к. п. д. составляет η_с= 0,55 ÷ 0,65.

Регулировка давления наддува р_к, создаваемого нагнетателем

Для обеспечения высотности двигателя нагнетатель конструируют с таким расчетом, чтобы он мог при расчетном числе оборотов крыльчатки обеспечить необходимое (заданное) давление наддува Р_К на расчетной высоте. Давление наддува при постоянном числе оборотов крыльчатки зависит от давления окружающей среды и степени повышения давления воздуха в нагнетателе:

Отсюда Р_К = σРн.

Из этих выражений видно, что при уменьшении высоты полета (т. е. при увеличении Р_Н), для того чтобы сохранить Р_К постоянным, степень повышения давления должна быть уменьшена.

При постоянном числе оборотов двигателя, а следовательно, и крыльчатки нагнетателя величина адиабатической работы L_АД остается постоянной. Поэтому степень повышения давления σ будет зависеть только от температуры окружающей среды. С уменьшением высоты полета температура Т_Н возрастает и величина σ соответственно уменьшается. Однако вследствие малого роста температуры Т_Н с уменьшением высоты (6,5° С на 1000 м высоты) степень повышения давления уменьшается очень мало и не может ни в какой мере компенсировать рост давления Р_К окружающей среды.

П оэтому единственным способом сохранения постоянства давления наддува Р_К при полетах на высотах, меньших расчетной, и постоянном числе оборотов двигателя является уменьшение давления воздуха на входе в крыльчатку за счет прикрытия дроссельной заслонки, установленной во входном патрубке нагнетателя.

Регулирование постоянства давления наддува Р_К путем дросселирования воздуха, поступающего в нагнетатель, невыгодно, так как приводит к излишним затратам мощности на вращение крыльчатки нагнетателя.

Действительно, при постоянном давлении на впуске в двигатель, равном Р_К, и постоянном числе оборотов двигателя расход воздуха через двигатель в пределах высот от земли и до расчетной высоты можно считать в первом приближении постоянным. Вместе с тем степень повышения давления σ, необходимая для сжатия воздуха до заданного давления Р_К, непрерывно уменьшается с уменьшением высоты (с увеличением Р_К). С уменьшением величины σ должна уменьшаться и величина работы L_АД, необходимая для сжатия воздуха, а следовательно, и мощность, необходимая для вращения крыльчатки нагнетателя. В действительности же при постоянном числе оборотов нагнетателя величина L_АД остается постоянной, а так как расход воздуха Ссек через двигатель также не меняется, то и мощность, затрачиваемая на вращение крыльчатки нагнетателя, будет оставаться практически постоянной от земли до расчетной высоты. Эта мощность будет равна мощности, необходимой для сжатия и подачи воздуха с давлением Р_К только на расчетной высоте. Для всех же высот, меньших расчетной, мощность, затрачиваемая на вращение нагнетателя, будет излишне большой.

Излишняя затрата мощности достигает наибольшей величины на уровне земли. Чем больше расчетная высота нагнетателя и его расчетное давление наддува Р_К, тем соответственно больше излишние затраты мощности на привод нагнетателя на уровне земли. Эти потери снижают эффективную мощность двигателя у земли и неблагоприятно влияют на летные данные самолета.

Из сказанного выше следует, что значительно более выгодным, с точки зрения затраты мощности на вращение крыльчатки нагнетателя, является сохранение постоянства давления наддува Р_К путем изменения числа оборотов крыльчатки нагнетателя при полном открытии дросселя на входе. В этом случае при снижении самолета от расчетной высоты до земли число оборотов крыльчатки нагнетателя непрерывно уменьшается, в соответствии с чем уменьшается и величина работы, сообщаемой воздуху в крыльчатке, и мощность, затрачиваемая на ее вращение.

Таким образом, наиболее выгодным будет, очевидно, применение такой передачи в приводе к нагнетателю, которая позволяла бы регулировать постоянство давления наддува Р_К за счет плавного изменения передаточного числа. К сожалению, практически осуществить такие передачи полностью еще не удается. Применяемые в ряде двигателей гидромуфты обеспечивают возможность непрерывного изменения числа оборотов в сравнительно узких пределах и, кроме того, требуют дополнительной затраты мощности на свое вращение и специальных устройств для подвода к ним масла и его охлаждения. Ввиду этого на практике обычно применяют шестеренчатый привод к нагнетателю, обеспечивающий возможность получения нескольких передаточных чисел.

На графике рис. 7.4 нанесены числа оборотов n и степени повышения давления σ односкоростного и двухскоростного нагнетателей по сравнению с теми же величинами у нагнетателя, имеющего передачу с бесступенчатым изменением скоростей. Во всех трех случаях нагнетатели сохраняют постоянное давление наддува Р_К до расчетной высоты Н = H_P2.

Работа нагнетателя с бесступенчатым изменением скоростей представлена пунктирными линиями БМА и бма. Линия БМА представляет собой степень повышения давления 5, необходимую для получения на данной высоте заданного значения Р_К. Линия бма представляет собой число оборотов крыльчатки нагнетателя, необходимое для получения степени повышения давления, соответствующей линии БМА. Таким образом, при возможности непрерывного изменения числа оборотов крыльчатки нагнетателя мощность, затрачиваемая на ее вращение, является минимально необходимой для каждой высоты.

В одноокоростном нагнетателе число оборотов сохраняется постоянным для всех высот (линия вла). Соответствующая этому числу оборотов степень повышения давления (линия ВЛА) несколько понижается с уменьшением Высоты вследствие повышения температуры окружающего воздуха. Как видно, только на высоте Н_Р2 , на которую рассчитан нагнетатель, число оборотов крыльчатки нагнетателя обеспечивает степень повышения давления, необходимую для получения заданного давления рк при полном открытии дросселя (точка А). На всех высотах, меньших Н_Р2 ,степень повышения давления, создаваемая нагнетателем при постоянном числе оборотов, значительно превосходит величину σ, необходимую для получения постоянного давления Р_К, что видно из сравнения кривых ВЛА и БМА.

Следовательно, постоянное по высоте давление наддува может быть сохранено только путем дросселирования, т. е. понижения давления на входе в нагнетатель. Однако дросселирование снижает давление на входе в нагнетатель, но не степень повышения давления в нагнетателе. Последняя зависит только от числа оборотов и температуры воздуха на входе и остается неизменной вне зависимости от положения дроссельной заслонки. Поэтому на всех высотах, меньших Н_Р2, на нагнетатель будет затрачиваться излишняя мощность.

При двухскоростном нагнетателе, кроме передаточного числа i₂, обеспечивающего получение заданного давления Р_К на расчетной высоте Н_Р2 , в привод нагнетателя вводится второе, меньшее передаточное число i₁ (первая скорость), при работе на котором число оборотов крыльчатки нагнетателя получается меньшим и соответственно уменьшается его, расчетная высота до величины H_P1 . На графике линия смла представляет собой изменение числа оборотов такого нагнетателя по высоте.

От земли до первой расчетной высоты нагнетатель работает на первой скорости (передача i­₁) с числом оборотов, соответствующим линии см. На высоте H_P1, производится переключение нагнетателя на вторую скорость (передача i₁), при этом число оборотов нагнетателя возрастает (линия мл) и далее остается постоянным (линия ла). Изменение степени повышения давления в нагнетателе с высотой представлено линией СМЛА.

Сравнивая нагнетатель с двухскоростной передачей с односкоростным нагнетателем, мы видим, что первый имеет значительное преимущество, состоящее в том, что на малых высотах, вплоть до Н_Р1, , этот нагнетатель вследствие меньшего числа оборотов имеет меньшую степень повышения давления, а следовательно, требует и меньшей затраты мощности.

Существенным преимуществом двух- и многоскоростных нагнетателей по сравнению с односкоростным является также и то, что с уменьшением числа оборотов уменьшается не только работа, затрачиваемая на вращение крыльчатки нагнетателя, но и подогрев воздуха. Вследствие этого понижается температура воздуха на выходе из нагнетателя и при неизменном давлении наддува увеличивается весовое количество воздуха, поступающего в двигатель, а следовательно, и его мощность.

Таким образом, применение двух- или многоскоростных нагнетателей улучшает работу двигателя на малых высотах за счет уменьшения мощности, затрачиваемой на привод нагнетателя, и меньшего повышения температуры воздуха, поступающего в двигатель.

Уменьшение затраты мощности на вращение нагнетателя на малых высотах может быть достигнуто и на односкоростном нагнетателе при помощи поворотных лопаток Стечкина-Поликовского, установленных перед крыльчаткой. При работе на земле лопатки устанавливаются в положение, при котором они обеспечивают максимальную закрутку воздуха. При этом уменьшается мощность, затрачиваемая на вращение крыльчатки нагнетателя, и одновременно давление на входе, степень повышения давления и подогрев воздуха в нагнетателе. По мере подъема на высоту постоянство давления наддува Р_к обеспечивается поворотом лопаток, благодаря которому уменьшается дросселирование и закрутка воздуха и соответственно увеличивается степень повышения давления.

Регулятор постоянства давления наддува

Для облегчения работы летчика в полете на высотных двигателях устанавливаются автоматические регуляторы постоянства давления наддува (РПД). Назначение РПД состоит в том, чтобы не допускать увеличения наддува сверх установленной для данного двигателя величины, а также поддерживать постоянство наддува при изменении высоты до расчетной.

Одна из схем устройства регулятора постоянного давления приведена на рис. 7.5. РПД состоит из анероидной коробки 1, золотника 5, поршня 3 со штоком, пружины 13 и регулировочного устройства 6. Кроме того, в большинстве регуляторов имеется дополнительное устройство (на схеме не показано), дающее возможность летчику при форсировании двигателя увеличивать наддув сверх номинальной величины.

Анероидная коробка 1 имеет внутри пружину 15 и заполнена нейтральным газом (азотом), имеющим примерно атмосферное давление. Коробка помещена внутри герметически закрытого колпака 7, сообщающегося через канал 2 с полостью сборника нагнетателя. Один конец анероидной коробки жестко соединен со стержнем, ввернутым в колпак, а второй шарнирно соединен с золотником 5.

При деформации коробки золотник перемещается в канале 8, к которому по каналу 9 подводится масло из нагнетающей магистрали. Канал 10 соединяет канал 8 с картером двигателя. Канал 8 каналом 11 сообщается с полостью цилиндра 12, в котором движется поршень 3 со штоком. Шток поршня имеет на конце зубчатую рейку, соединенную с зубчатым сектором 14, сидящим на оси дроссельной заслонки 4 нагнетателя.

Принцип действия РПД следующий.

При расчетном давлении наддува золотник находится в нейтральном положении (рис. 7.5, а), при котором доступ масла в полость цилиндра 12 перекрыт буртиком золотника 5. При этих условиях поршень 3 и заслонка 4 нагнетателя остаются неподвижными в определенном положении.

Е сли по каким-либо причинам (например, вследствие подъема на высоту) давление, создаваемое нагнетателем, станет меньше расчетного, то анероидная коробка 1 под действием давления заключенного в ней газа и внутренней пружины 15 расширится и переместит золотник из нейтрального положения вниз (рис. 7.5,б). При перемещении золотника откроется доступ масла из нагнетающей магистрали двигателя по каналам 9, 8 и 11 в полость цилиндра 12. Под действием давления масла поршень начнет перемещаться влево, сжимая пружину 13. Это вызовет открытие заслонки нагнетателя и постепенное увеличение давления наддува. С увеличением давления наддува анероидная коробка начнет сжиматься и вновь установит золотник в нейтральное положение, зафиксировав заслонку нагнетателя уже в новом положении при расчетной величине наддува.

Если по каким-либо причинам (например, при снижении самолета с полным газом или при увеличении числа оборотов крыльчатки) давление наддува превысит расчетную величину, то анероидная коробка сожмется на большую величину, чем при расчетном давлении наддува (рис. 7.5, б). При этом золотник 5 переместится из нейтрального положения вверх и сообщит полость цилиндра 12 с каналом 10, отводящим масло в картер. Под действием пружины поршень начнет перемещаться вправо, вытесняя масло в картер и одновременно прикрывая заслонку нагнетателя. При этом давление наддува понизится и анероид, расширяясь, вновь возвратит золотник в нейтральное положение в тот момент, когда давление наддува станет равным расчетному.

Регулировочное устройство 6 дает возможность перемещать анероид 1 вместе с золотником 5 в вертикальном направлении и тем самым регулировать величину давления наддува, при котором золотник устанавливается в нейтральное положение.

Необходимо иметь в виду, что РПД вступает в работу только при таком числе оборотов двигателя, при котором давление наддува при полном открытии заслонки становится больше расчетного. При меньших давлениях наддува РПД открывает заслонку полностью и управление ею осуществляется вручную, для чего РПД снабжается специальным устройством, при помощи которого он выключается на малых оборотах.

Высотность авиационных поршневых двигателей

В двигателях без нагнетателя сохранение номинальной мощности до определенной высоты, т. е. получение высотности, может быть обеспечено только в том случае, если двигатель развивает свою номинальную мощность на уровне земли при неполностью открытой дроссельной заслонке. Для того чтобы высотность двигателя была достаточно большой, степень дросселирования двигателя на земле при работе на номинальной мощности должна быть также значительной.

Нетрудно понять, что было бы нерационально уменьшать путем дросселирования мощность, развиваемую на земле двигателем с впуском из атмосферы, не получая при этом каких-либо выгод по сравнению с двигателем тех же размеров, работающим «а земле при полностью открытой дроссельной заслонке и, следовательно, развивающим большую мощность. Эти выгоды заключаются в уменьшении веса и увеличении экономичности двигателя по сравнению с весом и экономичностью двигателя тех же размеров, могущего работать на земле при полном открытии дроссельной заслонки. Достигается это за счет облегчения веса деталей кривошипно-шатунного механизма, цилиндров и других наиболее нагруженных узлов двигателя (расчет этих деталей на прочность производится по заниженной номинальной мощности), а также за счет увеличения степени сжатия, обеспечивающего получение более высокого к. п. д. и, следовательно, меньшего расхода топлива и большей мощности, снимаемой с единицы объема.

Подобные двигатели были сконструированы и назывались «переразмеренными», так как рабочий объем их цилиндров был избыточно велик для получения номинальной мощности на уровне земли, и «пересжатыми», так как высокая степень сжатия не допускала полного открытия дроссельной заслонки на земле не только из соображений прочности, но и из-за возможности возникновения детонации. Такой «переразмеренный» и «пересжатый» двигатель дросселировался на земле до номинальной мощности, постоянство которой с высотой поддерживалось путем постепенного открытия дроссельной заслонки. С применением нагнетателей «переразмеренные» и «пересжатые» двигатели утратили полностью свое значение и представляют сейчас лишь исторический интерес, как один из этапов развития авиационной техники.

В настоящее время подавляющее большинство авиационных поршневых двигателей имеет установленный на впуске нагнетатель центробежного типа. Установка нагнетателя на впуске выполняет два назначения. Первое состоит в увеличении мощности двигателя за счет наддува, второе — в сохранении заданного давления наддува до некоторой расчетной высоты, т. е. в обеспечении высотности двигателя. Характеристики двигателей с нагнетателями обладают целым рядом особенностей, часть которых была рассмотрена выше в связи с внешней характеристикой двигателя.

Особенно сильно сказываются установка нагнетателя и способ его привода на высотных характеристиках двигателей.