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

Привод ПК осуществляется от двигателя посредством особого кривошипа коленчатого вала, кронштейна крейцкопфа или балан­ сира, механически связанного с рабочим шатуном; как было сказано выше, в качестве ПК могут быть использованы и подпорш­ невые полости двигателя; ПК снабжаются автоматически дей­ ствующими пластинчатыми клапанами (объем вредного простран­ ства 3— 6%) или специальными золотниковыми устройствами (15— 20%). Объем рабочей полости насоса может быть определен по выражению

где ст = 2,5 ч-4,0 м/с, а отношение ~ - = 1,7-4-3,0. В проход-

*->К

ных сечениях клапанов скорость воздуха

с = 20-4-30 м/с.

Температура Тк продувочного воздуха

пг—1

/ ' \ иг

где давление всасывания ро = ро— (0,05-4-0,1) кгс/см2; давление нагнетания р'к = рк + (0,05-4-0,1) кгс/см2; показатель политропы сжатия т = 1,5-4-1,7.

Мощность ПК

Особую группу, как было сказано выше, составляют компрес­ соры центробежного (ЦК) и осевого (ОК) типов. Их характерной особенностью является работа при высоких окружных скоростях на периферии рабочего колеса — более 220— 250 м/с и связанная

217

с этим обстоятельством высокая производительность при относи­ тельно малых габаритах. Принцип работы ЦК (рис. II.2) сравни­ тельно прюст: под действием центробежных сил, создаваемых вра­ щающимся рабочим колесом, воздух непрерывно поступает во всасывающий патрубок компрессора, а энергия скорости, пере­ даваемая воздуху лопастями рабочего колеса, на выходе из по­ следнего гасится в диффузоре и переходит в энергию давления. Для увеличения к. п. д. на расчетном режиме диффузор выпол­ няется лопаточным. В целях максимального увеличения к. п. д. в широком диапазоне рабочих нагрузок, ЦК снабжается пово­ ротными лопатками на входе в компрессор и в его диффузорной части (регулируемый турбокомпрессор). Как и во всех предыду­ щих случаях, производительность компрессора может быть рас­ считана по выражению:

состава; а — коэффициент избытка воздуха при сгорании топлива в цилиндрах двигателя; ф — коэффициент продувки. Для полу­

Впоследнем выражении работа адиабатического сжатия воздуха

вкомпрессоре определяется по формуле (11.14), а коэффициент

напора Нк, зависящий от гидравлических потерь в рабочем колесе, может быть принят по данным табл. II.6.

218

Температура воздуха за компрессором рассчитывается по фор­ муле (11.20), а мощность, затрачиваемая на привод Ц К — по формуле (II.6) или (11.11).

Выбор диаметра D 2 рабочего колеса ЦК (рис. 11.14) осуще­ ствляется на основании установленной ранее величины окружной скорости ы2 и ориентировочно задаваемого соотношения вход­ ного диаметра D t колеса к диаметру D 2 (порядка 0,5—-0,7). При этом частота вращения рабочего колеса ЦК в случае его механи­ ческого привода выбирается в пределах 12000— 20 000 об/мин, а при газотурбинном наддуве —

15000— 70 000 об/мин, в отдель­ ных случаях — до 90 000— 100 000 об/мин. Численное зна­ чение входной площади F t ра­ бочего колеса, необходимое для конкретизации величины вход­ ного диаметра Dly определяется

В расчете ЦК важным обстоятельством является обеспечение высокой эффективности его работы, в связи с чем должным обра­ зом осуществляется выбор числа и профилирование рабочих лопаток, выбор конфигурации диффузора (щелевого, лопаточного или «смешанного») и т. д.

Осевые компрессоры в силу их конструктивной и технологи­ ческой сложности для наддува двигателей применяются лишь в порядке исключения — в случае высокого наддува мощных двигателей, когда является оправданным применение многосту­ пенчатых компрессоров. При относительно очень высоком к. п. д. степень повышения давления в ступени ОК обычно не превы-

219

шает 1,07— 1,1. Поэтому при реальных давлениях наддува ОК неизбежно должен быть многоступенчатым. Так, например, для наддува двигателя M6V45/46 немецкая фирма МАН использовала турбокомпрессор с 14-ступенчатым ОК и 3-ступенчатой турбиной. Этот турбокомпрессор при давлении наддува рк = 2,5 кгс/см2 имел суммарный к. п. д. порядка 68%, что в значительной степени определялось высоким к. п. д. ОК.

Производительность ОК значительно выше производитель­ ности ЦК, в связи с чем применение для двигателей малой мощно­ сти не может иметь места.

Турбокомпрессоры (ТК), сочетающие в одном агрегате газовую турбину и центробежный компрессор, наиболее удобны для фор­ сирования двигателей путем наддува.

В соответствии с ГОСТ 9658—66 в Советском Союзе турбо­ компрессоры выпускаются двух типов (рис. 11.15) —•в вариантах с радиальной центростремительной (ТКР) и осевой (ТК) газовыми турбинам. Выпускные газы от двигателя поступают на лопатки 4 рабочего колеса через сопловой или направляющий аппарат 3, обеспечивающий минимальные потери энергии газа и эффективное расширение газа при преобразовании его потенциальной энергии в кинетическую. Газ после использования направляется в выпуск­

лах рабочего колеса имеет преимущественно осевое направление; в центростремительной турбине (рис. 11.15, б) газ движется от периферии к центру. В последнем случае сравнительно просто может быть осуществлен поворот сопловых лопаток (не возникает особой проблемы торцовых уплотнений), что упрощает конструк­ цию регулируемого турбокомпрессора, наиболее приспособлен­ ного для обеспечения работы двигателя на переменных ре­ жимах.

Центростремительные (радиальные) турбины применяются для наддува дизелей малой и средней мощностей, в основном до 1000 л. с. Это обстоятельство связано с преимуществом центростремитель­ ных турбин по к. п. д. при относительно малых объемных рас­ ходах газа, при которых малые по высоте лопатки осевых турбин приводят к повышенным непроизводительным потерям энергии. При увеличении расхода газа через турбину относительная вели­ чина потерь уменьшается и к. п. д. осевой турбины становится выше, чем к. п. д. радиальной турбины.

Представление о реальном конструктивном выполнении ТКР и ТК по ГОСТ 9658—66 можно получить по рис. 11.16. На кон­ структивной базе ТКР и ТК разработаны два типоразмерных

220

производительности примерно в 1,7 раза. Данная величина при очевидном условии пропорциональности расхода воздуха через компрессор квадрату диаметра рабочего колеса определяет мас­ штабный коэффициент ряда унифицированных турбокомпрессоров, характеризующих отношение диаметров колес смежных типо­ размеров

£ = j /T 7 T ^ l ,3 .

Поэтому по ГОСТ 9658— 66 типоразмерный ряд турбокомпрессоров включает диаметры колес компрессоров, отличающихся на вели­ чину масштабного коэффициента — 70, 85, ПО, 140, 180, 230, 300, 380, 500 и 640 мм (табл. II.7). Аналогичные соотношения имеют место и для турбинных колес.

По давлению наддува турбокомпрессоры разделены на три группы:

1) турбокомпрессоры низкого давления (исполнения Н) со степенью повышения давления пк от 1,3 до 1,9 включительно;

2)среднего давления (исполнение С) с як от 1,9 до 2,5 вклю­ чительно;

3)высокого давления (исполнение В) с як от 2,5 до 3,5.

ТКР-7, ТКР-8,5; ТКР-П; ТКР-14; ТКР-18 и ТКР-23 выполня­ ются с опорами (подшипниками), расположенными между коле­ сами турбины и компрессора, и из-за относительно большой на­ грузки на опоры имеют сравнительно ограниченный срок службы. Турбокомпрессоры этого типа являются компактными и применя­ ются в основном для наддува высокооборотных двигателей авто­ тракторного и близкого к ним типов.

ТК-23; ТК-30; ТК-34; ТК-38; ТК-50 и ТК-64 с опорами, рас­ положенными снаружи колес, используются для наддува дизелей большого срока службы.

§6. СОВМЕСТНАЯ РАБОТА ДВИГАТЕЛЯ

СТУРБОКОМПРЕССОРОМ

Совместная работа двигателя с ТК должна обеспечивать вы­ сокую экономичность и эксплуатационную надежность силовой установки. Расходная характеристика двигателя при этом должна быть определенным образом согласована с характеристиками компрессора и турбины. Подобное согласование вообще является сложным, и потому практически могут иметь место различные пути его обеспечения.

По данным Мурманского мореходного училища, в частности, предлагается путь, по которому предварительно строится линия рабочих режимов ТК, а затем с нею согласовывается расходная характеристика двигателя. В случае свободного ТК, не имеющего механической связи с коленчатым валом двигателя, на всех ре­ жимах работы мощность турбины полностью затрачивается на