2157

В современных компрессорах некоторые заводы-изготовители применяют колеса с радиальными лопатками, но загнутыми на выходе назад (против вращения). Значение абсолютной скорости снижается на 5–10 %, но увеличивается КПД в результате снижения потерь на трение (потери энергии пропорциональны величине скорости в квадрате).

При вращении колеса, за счет центробежных сил, молекулы воздуха перемещаются от центра к периферии. На выходе из колеса скорость молекул достигает значения C2 (рис. 3.4). В межлопаточных каналах, за счет их расширения, кинетическая энергия переходит в энергию давления. Дополнительно скорость воздуха уменьшается в диффузоре и улитке (спиральной камере). В результате этого температура Т, давление Р и плотность повышаются.

Рис. 3.4. Окружная U2, относительная W2 и абсолютная С2 скорости на выходе из колеса компрессора

11. Турбокомпрессоры имеют лопаточные или щелевые диф-

фузоры. В диффузоре энергия к потоку газа не подводится. За счет торможения потока в расширяющих каналах происходит преобразование кинетической энергии в энергию давления. Наружный диаметр диффузора D3 выбирается из соотношения (1,3 − 1,5)D2К. Площадь на выходе из щелевого диффузора (величина в нашей работе известна D3

= 96 мм)

12. Скорость на выходе из диффузора определяется из выраже-

ния

33

В первом приближении плотность 3 2 , а затем уточняется. 13. Площадь выхода из улитки считают равной площади входа в

компрессор. Газ со скоростью С3 поступает в улитку (воздухосборник), и его скорость снижается до значения С4 в результате расширения канала. Принимаем, что площадь по центральной части развертки спиральной камеры (улитки) примерно в 1,5 раза больше выходной площади диффузора (F4 = 1,5F3). Величина F3 = Fдиф. Диффузор плавно расширяется и на выходе его диаметр примерно в 1,3 – 1,5 раза больше, чем на входе в компрессор.

Используя уравнение постоянства расходов, находим среднюю скорость на входе в улитку компрессора. В первом приближении принимаем, что плотность воздуха в сечениях 3 и 4 равна друг другу, а затем ее уточняем.

Скорость на выходе из компрессора примерно равна величине скорости на входе в компрессор. Давление воздуха на выходе значительно больше, чем на входе (над газом совершена работа сжатия).

Результаты расчета сведем в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Изменение скорости в каналах центробежного компрессора

34

Лабораторная работа № 4

ТУРБОКОМПРЕССОР ТИПА ТКР- 5 С ПОВОРОТОМ ЛОПАТОК СОПЛОВОГО АППАРАТА ТУРБИНЫ

4.1. Цель и задачи лабораторной работы

Цель лабораторной работы. Изучить конструкцию турбокомпрессора ТКР-5 с автоматическим регулированием путем поворота 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 30 0.

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

4.2. Исходные данные

Двигатель Заволжского моторного завода дизельный, четырехцилиндровый ЗМЗ-5148.10, диаметр цилиндра 87 мм, ход поршня 94 мм, рабочий объем 2,24 л, степень сжатия 19,5, частота вращения 3900 мин-1, среднее эффективное давление 1,3 МПа, мощность 95 кВт.

4.3. 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 5–20 %, снижение дымности отработанных газов.

В настоящий момент многие фирмы, участвующие в производст-

ве турбокомпрессоров (Garrett, KKK, Hitachi, Mitsubishi, Toyota), за-

нимаются производством турбин с изменяемой геометрией. Автоматическая система изменяет размер входного отверстия корпуса турбины в зависимости от скорости потока отработанных газов или направление входящего потока газа на лопатки колеса турбины. При

36

низких оборотах двигателя и небольшом потоке выхлопных газов угол входа потока газа на лопатки оптимальный (15 – 25 0). В данном случае КПД турбины максимальное, 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. 4.1 показан общий вид турбокомпрессора с поворотом лопаток соплового аппарата, обеспечивающего изменение угла входа потока газа на лопатки колеса турбины.

Рис. 4.1. 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 управления изменяемой геометрии; 5 – колесо компрессора;

6 – пневматическая камера управления турбиной

37

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.

Способы регулирования компрессора и 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 производится тщательный расчёт, подбор и настройка турбокомпрессора, а 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.

4.6.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. 4.2). Температура и давление газа переходят в энергию скорости в результате уменьшения сечения в выходной части соплового аппарата. Сопловый аппарат 2*, образованный лопатками, закрепленный на подвижном диске, служит

39

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.

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 результате этого колесо турбины и компрессора приводится во вращательное движение.

На рис. 4.2 показан план скоростей на входе в колесо (точка 1) и выходе из него (точка 2). Газ выходит из колеса по среднему диаметру (расчетный вектор скорости).

1* 2*

3*

Cад

Рис. 4.2. План скоростей на входе (точка 1) в колесо турбины и выходе (точка 2): С – абсолютная скорость; W – относительная скорость; U − окружная скорость

Сопловый аппарат турбины неподвижный, поэтому в нем не со-

40

вершается 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

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

Предположим, что энергия скорости на выходе из соплового аппарата W2 полностью срабатывается (тормозится) и переходит в энергию давления. Тогда уравнение (4.1) можно записать в виде

CP T1 T2 W2 .

2

2. Обозначив CP T1 T2 через перепад энтальпии HT (энтальпия – это энергия, связанная с данным состоянием газа), а скорость W

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 62 000; 82 000; 106 000 Дж/кг.

Величина НТ = Lад / 0,7. Для Lад 82 000 Дж/кг величина НТ = 117 000 Дж/кг. Значение адиабатной скорости на входе в колесо турбины CАД 2 HT будет равно 484 м/с.

Средний диаметр на выходе из турбины делит площадь на две равные части.

41

где D2T – наружный диаметр колеса турбины на выходе. Угол выхода газа из соплового аппарата 1 лежит в пределах 15 − 25 0.

4. Радиальная и окружная составляющие абсолютной адиабатной скорости на входе в колесо

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). Определение значения угловой скорости ω = π·nK /30 дано в лабораторно-практической работе № 3.

На рис. 4.3 приведена схема регулирования турбины с поворотом лопаток соплового аппарата. Длина плеч рычагов поворотного устройства L1 = L2 = L3 = 14 мм. При повороте рычага L1 на 10 0 лопатки также повернутся на 10 0, увеличивая начальный угол установки лопаток с 20 до 30 0. При этом изменится направление потока газа на лопатки, частота вращения и мощность турбины.

Расчеты необходимо выполнить для 7 точек при изменении хода штока 1 (см. рис. 4.2) 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 5 0. Результаты расчета сведем в табл. 4.1.

42