книги из ГПНТБ / Теория двигателей внутреннего сгорания. Рабочие процессы учебник

Заменив в нем LT ад и £к>ад по равенствам (11.13) и (11.14) и поло­ жив одновременно:

к'

Rr = R3\ Gr = G3,

с определенной степенью точности будем иметь

Таким образом,

(11.19)

Приведенная приближенная формула выражает основное усло­ вие газотурбинного наддува со свободным турбокомпрессором или так называемым турбокомпрессором с газовой связью.

На практике окончательный выбор рабочих параметров газа для газовой турбины осуществляется в процессе общей доводки двигателя с ГТН.

В процессе сжатия воздуха в компрессоре имеет место суще­ ственное повышение температуры воздуха ТК.

Так, для политропического процесса в конце сжатия m—1

где показатель политропы m достигает сравнительно больших значений (см. гл. IV).

В частности, при двукратной степени наддува Ян = 2, кото­

Для уменьшения теплонапряженности двигателя с ГТН сравни­ тельно широко применяется воздушное или водяное охлаждение наддувочного воздуха, которое называется промежуточным.

В зависимости от степени наддува, эффективность промежу­ точного охлаждения в абсолютных величинах при одноступенча­ том охлаждении составляет 20—60° С.

Весьма ценным дополнительным свойством промежуточного охлаждения является также весовое увеличение свежего заряда цилиндра, обусловленное ростом плотности воздуха при сниже­ нии его температуры. В связи с этим можно считать, что на ка­ ждые 10° снижения температуры наддувочного воздуха мощность

207

фициента избытка воздуха при сгорании топлива в целях повы­ шения температуры выпускных газов и уменьшения мощности компрессора, выбор оптимальных фаз газораспределения и т. д. В целях увеличения веса воздушного заряда цилиндров, для

двухтактных двигателей с ГТН весьма целесообразно и охлажде­ ние наддувочного воздуха, которое в четырехтактных двигателях применяется только при повышенном наддуве. При импульсном

коллектором давление импульса

Рис. НЛО. Схема двухтактного дви­ гателя с двухступенчатым наддувом:

1 — компрессор 1-й ступени сжатия; 2 — промежуточный воздухоохладитель; 3 — компрессор 2-й ступени сжатия; 4 — воз­ духоохладитель; 5 — импульсная турбина компрессора 2-й ступени; 6 — коллектор выпускных газов, поступающих в импульс­ ную турбину двигателя с контурной или прямоточно-клапанной (7) системами газо­ обмена; 8 — ресивер выпускных газов, поступающих в турбину постоянного дав­ ления; 9 — турбина постоянного давле­

ния компрессора 1-й ступени

должно снизиться до давления, обеспечивающего эту продувку. Данное условие выполняется при объединении двух или трех цилиндров, т. е. при смещении фаз выпуска на 180 или 120° угла поворота коленчатого вала (для двухтактного двигателя). В двигателях с прямоточно-клапанной продувкой возможно уста­ новить более раннее открытие выхлопных клапанов и потому в

некоторых случаях объединить одним выпускным трубопроводом четыре цилиндра.

Учитывая практическую трудность газотурбинного наддува двухтактных двигателей, в последнее время начинают разрабаты­ ваться перспективные двухступенчатые схемы, преследующие цель наиболее полно реализовать преимущества турбонаддува при постоянном и переменном давлениях газов.

На рис. 11.10 представлена подобная схема для мощного опыт­ ного двухтактного судового двигателя швейцарской фирмы «Зульцер» с петлевой продувкой.

Двухступенчатый наддув позволяет создавать условия для устойчивой работы двигателя на полных и на частичных нагруз­ ках. Наилучшие условия работы двигателя, по данным [16], для рассматриваемой схемы наддува достигаются при соотношении работы сжатия воздуха в компрессорах низкого давления (тур­ бина постоянного давления) и высокого давления (импульсная турбина) как 4 : 1 . На номинальном режиме работы основная мощность наддува, таким образом, приходится на турбину постоян­ ного давления, а при уменьшении частоты вращения доля мощ­ ности, приходящаяся на импульсную турбину, постепенно возра­ стает и затем превосходит мощность турбины постоянного давле­ ния.

§4. КОМБИНИРОВАННЫЙ НАДДУВ

Впредыдущих параграфах особо отмечались трудности га­ зотурбинного наддува двухтактных двигателей и сложность общей проблемы создания двигателей с ГТН, имеющих хоро­ шие эксплуатационные характеристики (приемистость, тяговые свойства).

Немалые трудности представляет собой также и просто высокий наддув четырехтактных двигателей, когда газовыпускная турбина развивает избыточную мощность по сравнению с мощностью, по­ требляемой компрессором.

Все эти обстоятельства обусловливают создание так называе­ мых комбинированных установок двигателей с наддувом, одно­ временно совмещающих газотурбинный и механический над­ дув. В комбинированных установках (при комбинированном наддуве) любой небаланс энергии между турбиной и компрес­ сором компенсируется либо дополнительным съемом мощ­ ности с коленчатого вала двигателя (двухтактные двигатели), либо, наоборот, передачей ему избыточной мощности газовой турбины (четырехтактные двигатели). Вполне понятно, что кон­ структивные варианты комбинированного наддува двигателей могут быть самыми разнообразными и, помимо простейшего ва­ рианта с механической связью, возможны также более сложные варианты параллельных или последовательных схем с двумя нагнетателями (компрессорами).

210

При работе двигателей с поршневым или роторно-зубчатым нагнетателем подача воздуха на цикл сравнительно мало за­

газов со снижением частоты вращения влечет за собой уменьшение подачи воздуха, приходящейся на рабочий цикл двигателя.

Рис. 11.11. Схема комбинированного

Данное обстоятельство может послужить причиной нарушения рабочего процесса (в первую очередь двухтактного двига­ теля), перегрева двигателя и ухудшения экономичности его работы.

Система ГТН, имеющая механическую связь с двигателем по рис. II.5 обеспечивает пуск и работу двухтактного двигателя на малых частотах вращения, а для четырехтактного двигателя при небалансе мощности турбины и компрессора — передачу избыточной мощности турбины двигателю.

На рис. II. 11, а представлена схема последовательной двухсту­ пенчатой системы наддува, в которой свободный турбокомпрессор является первой ступенью, а приводной нагнетатель — второй. Видоизменение этой системы наддува представляет так называе­ мая обращенная последовательная схема — с приводным объем­ ным или центробежным нагнетателем в качестве первой ступени наддува и свободным турбокомпрессором в качестве второй сту­ пени. Последняя система наддува характеризуется примерно постоянным значением весового количества топлива, приходяще­ гося на один цикл, что имеет особое значение для двигателей транспортного назначения.

Система наддува по рис. 11.11, а находит применение главным образом для судовых и стационарных двигателей. Наличие при­ водного нагнетателя в системе наддува позволяет осуществить рабочий процесс практически с любой степенью наддува, улуч­ шает приемистость двигателя и его работу на всех режимах, вклю­ чая пуск и маневрирование. При параллельной системе наддува (рис. 11.11, б) агрегаты наддува— газотурбонагнетатель и при­ водной нагнетатель — независимо сжимают воздух до нужного давления и обеспечивают необходимую производительность. Ви­ доизменением этой схемы является привод добавочного нагнета­ теля не от двигателя, а от электромотора (рис. 11.11, в). Преиму­ ществом параллельной системы комбинированного наддува по сравнению с последовательной системой являются несколько меньшие габариты агрегатов наддува, каждый из которых рассчи­ тан на относительно меньшую производительность. В то же время последовательная схема обеспечивает несколько лучшие эксплуа­ тационные характеристики и относительно более экономичную работу двигателя при повышеннном давлении наддува. Для мощ­ ных судовых дизелей находит применение комбинированный наддув с использованием поршневых насосов (в том числе, в кон­ структивном варианте с использованием подпоршневых полостей двигателя). В частности, для мощного судового дизеля типа «Зульцер» используется схема с импульсным турбонаддувом и последовательно-байпасным присоединением подпоршневого про­ дувочного насоса. По этой схеме подпоршневые насосы подают в цилиндры двигателя лишь часть воздуха, поступающего от турбокомпрессоров. При ходе поршня вниз воздух от подпоршне­ вого насоса первоначально поступает в цилиндр двигателя, а за­ тем по мере уменьшения давления продувки подключается ТК, подающий воздух через клапаны одновременно в цилиндры дви­ гателя и в подпоршневую полость.

Повышенное давление в начале продувки способствует улуч­ шению качества очистки цилиндра и препятствует забросу газов из цилиндра в подпоршневую полость; в равной степени оно допускает и более позднее открытие выпускных окон, способствуя тем самым более полному расширению газов в цилиндре в про­ цессе рабочего хода поршня. Помимо изложенного, существуют и параллельные схемы подключения поршневых (подпоршневых) насосов, преимуществом которых следует считать относительно меньшее влияние изменения частоты вращения двигателя на давление наддувочного воздуха и температуру выпускных газов.

Двигатель с последовательной системой наддува менее чувстви­ телен к изменению температуры воздуха на входе в ТК.

При параллельной схеме возможно применять продувочные насосы меньших размеров или меньшее количество насосов (имеются в виду многоцилиндровые двигатели, на которых могут устанавливаться несколько ТК, подающих воздух в общий реси-

212

вер). В силу необходимости увеличения абсолютного числа агре­ гатов наддува и усложнения газовоздушных коммуникаций, комбинированный наддув конструктивно более сложен по сравне­ нию с системами механического и газотурбинного наддува. Тем не менее его применение обусловлено специфическими недостат­ ками других систем наддува и требованиями в части создания более прогрессивных конструкций двигателей.

§ 5. КОМПРЕССОРЫ И ТУРБОКОМПРЕССОРЫ

Для продувки и наддува двигателей применяются компрес­ соры объемного, центробежного и осевого типов. Из числа объем­ ных наибольшее распространение получили компрессоры роторно­ зубчатые (РЗК), винтовые (В К)

и поршневые (ПК). Конструк­ тивно РЗК выполняются в виде парных двухили трехлопастных роторов, расположенных в специ­

сами, расположенными вне рабо­ чего пространства компрессора. При вращении роторов (вращают­ ся в разные стороны) воздух, поступающий с одной стороны корпуса РЗК, без сжатия перено­ сится на другую сторону. Сжатие воздуха имеет место в момент сое­ динения перемещающегося объема воздуха с ресивером сжатого воз­ духа за счет уравнивания давле­ ния в ресивере и в поступающем

в него объеме воздуха («внешнее» сжатие). Положительной сторо­ ной РЗК следует считать простоту конструкции, хорошую при­ способляемость к любому режиму работы двигателя и отсутствие необходимости в смазке; недостатки РЗК связаны с ограни­ ченностью давления наддува (рк менее 1,8 кгс/см2), со сравнительно ощутимой пульсацией давления нагнетаемого воздуха, относи­ тельно невысоким к. п. д. и значительным шумом при работе. Для обеспечения более плавной работы РЗК, т. е. для уменьшения амплитуды пульсаций давления и снижения шумности, является желательным «винтообразная» конструкция лопастей роторов и ограничение окружной скорости ротора 50 м/с; во всех случаях

213

Расчет производительности РЗК может производиться по

профиля и составляет для роторов: двухлопастных 0,53—0,59; трехлопастных 0,52—0,54.

По опытным данным, коэффициент подачи гр, = 0,72—0,77, адиабатический к. п. д. т]|{ ад я** 0,65-Н),80и механический к. п. д.

мех ~ 0,96-0,98.

При определении диаметра Dp из выражения (II.21) следует иметь в виду, что окружные скорости и ротора должны нахо­ диться в пределах: для мало- и среднеоборотных двигателей и— . = 20ч-30 м/с; для высокооборотных двигателей ы=30-^-50 м/с. Удельный вес ук воздуха на выходе из РЗК

РЗК могут применяться в качестве продувочных насосов для двухтактных двигателей и наддувочных агрегатов первой или второй ступени.

Винтовые компрессоры допускают сжатие воздуха до давле­ ния рк = 3 кгс/см2 и более.

В винтовых компрессорах (рис. 11.13) осуществляется частич­ ное сжатие воздуха в замкнутом объеме между лопастями двух роторов, поэтому компрессор этого типа по сравнению с РЗК имеет более высокий к. п. д. и меньший уровень шума. Принцип работы ВК обусловлен тем', что при вращении роторов параллельно

214

21 5

ная общая площадь торцового сечения винтовых впадин ведущего и ведомого роторов; KL— относительная длина ротора; d —-диа­ метр начальной окружности ведущего ротора; zx— число зубьев ведущего ротора; пх — частота вращения ведущего ротора. По условиям оптимальности z1=4. Число оборотов пхустанавливается

в основном применяются на мало- и среднеоборотных судовых двигателях для продувки и наддува.

Поршневые компрессоры отличаются простотой конструкции, надежностью, высоким к. п. д., в то же времячони имеют относи­ тельно большие габариты и веса, иногда нарушают уравновешен­ ность двигателя и подают в двигатель воздух, загрязненный маслом (смазка компрессора).

216