2120

Лабораторная работа № 3

ТУРБОКОМПРЕССОР ТИПА ТКР- 5 С ПОВОРОТОМ ЛОПАТОК СОПЛОВОГО АППАРАТА ТУРБИНЫ

3.1. Цель и задачи лабораторной работы

Цель лабораторной работы: изучить конструкцию турбокомпрессора ТКР-5 с автоматическим поворотом лопаток соплового аппарата турбины.

Задачи работы: определить основные размеры турбокомпрессора ТКР-5 путем его разборки (сборки), размеры механизма поворота лопаток и выполнить расчеты параметров турбины при повороте лопаток на 30о.

Оборудование: турбокомпрессор типа ТКР-5 с механизмом поворота лопаток соплового аппарата турбины, набор ключей, штангенциркуль.

3.2. Исходные данные

Двигатель Заволжского моторного завода дизельный, четырехцилиндровый ЗМЗ-5148.10, диаметр цилиндра 87 мм, ход поршня 94 мм, литраж двигателя 2,24 л, степень сжатия 19,5, частота вращения 3900 мин-1, среднее эффективное давление 1,3 МПа, мощность

95 кВт.

3.3. Вводная часть

Наддув двигателей внутреннего сгорания является одним из основных способов повышения мощности. При помощи наддува повышается давление на 30–60% поступающего в цилиндры воздуха и соответственно плотность заряда. Это даёт повышение мощности на 20–60%, улучшение экономичности двигателя на 5–10%, снижение дымности отработанных газов.

В настоящий момент многие фирмы, занимающиеся производст-

вом турбокомпрессоров («Garrett», «KKK» «Hitachi», «Mitsubishi», «Toyota»), производят турбины с изменяемой геометрией. Автоматическая система изменяет размер входного отверстия корпуса турбины в зависимости от скорости потока отработанных газов или на-

21

правление входящего потока газа на лопатки колеса турбины. При низких оборотах двигателя и небольшом потоке выхлопных газов, угол входа потока газа на лопатки оптимальный (15 – 25о). В данном случае КПД турбины максимальный, частота вращения колеса турбины и компрессора достигает требуемого значения, обеспечивая необходимое давление воздуха на выходе из компрессора.

При больших оборотах двигателя и большем потоке поступающих в корпус турбины выхлопных газов, система изменяет угол входа газа на лопатки турбины, поддерживая степень наддува двигателя на нужном уровне и защищая сам турбокомпрессор от чрезмерно высокой скорости вращения.

На рис. 3.1 показан общий вид турбокомпрессора с поворотом лопаток соплового аппарата, обеспечивающее изменение угла входа потока газа на лопатки колеса турбины.

Рис. 3.1. Турбокомпрессор с автоматической системой поворота лопаток соплового аппарата турбины:

1 – колесо турбины; 2 – лопатки, изменяющие направления движения отработавших газов на колесо турбины; 3 – управляющее кольцо; 4 – шток для поворота лопаток; 5 – колесо компрессора;

6 – пневматическая камера управления турбиной

22

3.4. Основные размеры турбокомпрессора ТКР-5

Компрессор:

1. Внутренний диаметр патрубка на входе в компрессор

Do вх = 36 мм.

2.Диаметр колеса наружный D2К = 50 мм.

3.Диаметр втулки колеса компрессора Dо = 13 мм.

4.Диаметр наружный на входе в колесо D1 = 34 мм.

5.Число лопаток 8, толщина лопаток 1мм.

6.Ширина колеса В2 = 14 мм.

7.Внутренний диаметр безлопаточного диффузора D3= 52 мм.

8.Внешний диаметр безлопаточного диффузора 96 мм.

9.Ширина диффузора постоянная 5 мм.

10.Начальный диаметр улитки 3 мм.

11.Конечный диаметр улитки 36 мм.

Турбина:

1.Наружный диаметр колеса турбины 40 мм.

2.Диаметр втулки 13 мм.

3.Число лопаток 9.

4.Диаметр входного патрубка 50 мм.

5.Начальный размер улитки на входе в колесо турбины 25 мм.

Устройство для поворота лопаток сопла турбины:

1.Ход штока 8 мм (регулируемый).

2.Длина рычагов поворотного устройства L1 = L2 = L3 = 14 мм.

3.Начальный (установочный) угол входа потока газа на лопатки

колеса турбины 20о.

4.Наружный диаметр диафрагмы пневматической камеры 40 мм.

5.Жесткость пружины 20 Н/мм.

3.5.Устройство газовых турбин

Вгазовой турбине осуществляется преобразование внутренней энергии в механическую работу. Газовая турбина также относится к числу лопаточных машин. Газ, поступающий в турбину из цилиндров комбинированного двигателя, имеет повышенные по сравнению с окружающей средой давление и температуру. В турбине потенциальная энергия газа первоначально преобразуется в кинетическую энергию потока, а затем в механическую энергию на валу. Как и компрессор, газовая турбина может быть осевой или радиальной. Из радиальных

23

турбин в комбинированных двигателях применяют, как правило, так называемые центростремительные турбины, в которых газ движется радиально от периферии к центру и, совершив поворот на 90°, выходит из турбины в осевомнаправлении.

Газ входит в сопловой аппарат с определенной скоростью, давлением и температурой. Лопатки соплового аппарата образуют суживающиеся каналы, в которых происходит увеличение скорости, в результате понижения давления и температуры газа.

Из соплового аппарата газ попадает в межлопаточные каналы рабочего колеса. При движении через рабочую решетку газ обтекает лопатки, меняя при этом направление движения. Вследствие поворота газового потока, а в большинстве случаев и ускорения его движения возникает сила, приложенная к лопаткам. Касательная составляющая этой силы создает крутящий момент на валу турбины.

Двигатель может работать в широком диапазоне изменения нагрузки и частоты вращения, поэтому параметры газа на входе в турбину существенно изменяются. Для экономичной совместной работы ДВС производятся тщательный расчёт, подбор и настройка турбокомпрессора, также применяются специальные регулирующие устройства.

Правильно выбирая режимы и параметры работы турбины и компрессора, можно обеспечить согласование их характеристик с характеристикой двигателя лишь при степени повышения давления πк = 1,8–2. При более высоких значениях πк для согласования работы двигателя с турбокомпрессором используют следующие способы регулирования турбины:

– поворот лопаток входного направляющего (соплового) аппарата турбины;

–изменение высоты (ширины) соплового аппарата;

–перепуск части выпускных газов в атмосферу мимо турбины.

3.6.Расчёт устройства для поворота лопаток сопла на входе

вмежлопаточные каналы колеса турбины

При входе в улитку 1* турбины (площадь входа в турбину принимается равной площади на входе в компрессор) газ обладает энергией скорости, температуры и давления (рис. 3.2). Температура и давление газа переходят в энергию скорости в результате уменьшения сечения в выходной части соплового аппарата. Сопловый аппарат 2*,

24

образованный лопатками, закрепленный на подвижном диске, служит для оптимального направления потока газа на лопатки колеса турбины и преобразования энергии газа в кинетическую энергию. Для автоматического регулирования сопловый аппарат иногда выполняется с поворотными лопатками. Это позволяет изменять угол входа потока газа на лопатки колеса турбины и ее мощность.

На рис. 3.2 показан план скоростей на входе в колесо (точка 1) и выходе из него (точка 2). Отработавший газ выходит из колеса турбины по среднему диаметру (расчетный вектор скорости).

1* 2*

3*

Cад

Рис. 3.2. План скоростей на входе (точка 1) в колесо турбины и выходе (точка 2):

С – абсолютная скорость; W – относительная

скорость; U − окружная скорость

Турбина работает за счет кинетической энергии (скорости) отработавших газов двигателя. Поступая на криволинейные лопатки колеса турбины 3*, поток газа обтекает их, меняет направление движения, создавая силу. Сила действует на плечо, образуя крутящий момент. В

25

результате этого колеса турбины и компрессора приводятся во вращательное движение.

Сопловый аппарат турбины неподвижный, поэтому в нем не совершается работа. Теплообмен с внешней средой за короткий промежуток времени очень мал, и процесс считаем адиабатным.

1. Уравнение энергии для входного и выходного каналов соплового аппарата турбины имеет вид [3]

где Т и W – температура и скорость газа в каналах соплового аппарата.

Предположим, что энергия скорости на выходе из соплового аппарата W2 полностью срабатывается (тормозится) и переходит в энергию давления. Тогда уравнение (3.1) можно записать в виде

3. Общая удельная работа (Дж/кг) при адиабатном сжатии воздуха в компрессоре находится из выражения

где ср= 1005 Дж/(кг·К) – удельная массовая изобарная теплоемкость воздуха; Та= 293 К – температура на входе в компрессор, k 1,4 – показатель адиабаты; πк – степень (величина) повышения давления в компрессоре.

При πк = 2; 2,5; 3,0 Lад 62000; 82000; 106000 Дж/кг.

Величина НТ = Lад / 0,7. Для Lад 82000 Дж/кг величина НТ = 117000 Дж/кг. Значение адиабатной скорости на входе в колесо

26

На выходе из рабочего колеса температуру газов принимают T2 0,8 0,9 T0 (T0 – температура газа на входе в турбину).

5. Полезная работа 1кг газа на лопатках колеса (Дж/кг)

Uср– окружная скорость на среднем диаметре выхода газа из турбины, Ucp Rcp ; Сср – скорость выхода газа на среднем диаметре (ско-

рость газа на выходе из турбины 50 − 100 м/с). Угловую скорость определяют из выражения ω = π·nK /30 .

На рис. 3.3 приведена схема регулирования турбины с поворотом лопаток соплового аппарата (механического типа). Длина плеч рычагов поворотного устройства L1 = L2 = L3 = 14 мм. При повороте рычага L1 на 10о, лопатки также повернутся на 10о, увеличивая начальный угол установки лопаток с 20 до 30о. При этом изменятся направление потока газа на лопатки, частота вращения и мощность турбины.

Расчеты необходимо выполнить для семи точек при изменении хода штока 1 (см. рис. 3.3) от 0 до 8 мм. Например, при ходе штока 1,1 мм и длине рычага L1 =14 мм тангенс угла будет равен 1,1/14= 0,08, что соответствует углу поворота лопаток на 5о. Результаты расчета необходимо свести в табл. 3.1.

27

Таблица 3.1

Результаты расчета системы регулирования турбины с поворотом лопаток соплового аппарата

3.7. Определение основных параметров электромеханического привода лопаток соплового аппарата турбины

Исходные данные

Электродвигатель постоянного тока типа 12V 993 647 060, напряжение питания 12 В, ток нагрузки 3А, мощность 30 Вт, крутящий момент на валу (роторе) МВ = 0,1 Н∙м, частота вращения nэ = 3500 мин-1, число зубьев ведущей прямозубой шестерни 9, длина 46 мм, диаметр 27 мм.

Зубчатая передача с числом зубьев ведущей шестерни ротора (вала) электродвигателя z1 = 9 и числом зубьев ведомой шестерни z2 = 27 (передаточное число i1 будет равно 27/9 = 3).

Червячный механизм с числом зубьев червяка 7, расчетным числом зубьев червячного колеса 24 (в зубчатом секторе их 8). При числе витков (заходе) червяка равным 2 передаточное число i2 будет равно

24/2 = 12.

Электронный блок управления турбины служит для поворота лопаток соплового аппарата (СА), изменяет направление (угол входа) потока газа на криволинейные лопатки колеса турбины. При оптимальной величине угла установки лопаток СА, равной 15 – 25о, частота вращения колеса достигает максимальных значений. При установке угла более 25о уменьшаются работа газов, мощность турбины и частота вращения колеса.

29

В состав электронного блока управления турбиной входят:

–управляемый электронный блок;

–привод (актуатор) управления турбиной;

–модуль управления турбиной.

На рис. 3.5 показан электронный блок в собранном виде, в разобранном виде и детали механизма привода.

Рис. 3.5. Электронный блок поворота лопаток турбины и его детали

На рис. 3.6 показан электромеханический привода лопаток СА турбины с электронным управлением, в который входят электродвигатель (моторчик) постоянного тока (он может быть бесконтактного или коллекторного типа), зубчатая передача, червячный механизм и датчик положения.

Рис. 3.6. Электромеханический привод лопаток соплового аппарата турбины

30