книги из ГПНТБ / Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания

ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ И РАСЧЕТ ТУРБИНЫ ДЛЯ ИМПУЛЬСНОЙ СИСТЕМЫ НАДДУВА

Для повышения эффективности использования энергии про­ долженного расширения выпускных газов часто применяют им­ пульсные выпускные системы, отличающиеся переменными по времени давлением и температурой газов перед турбиной.

Условия работы турбины в потоке переменного давления характеризуются резким изменением параметров я г и ѵ по вре­ мени. При этом вследствие большого момента инерции ротора и быстрого изменения действующего на турбину момента скорость вращения турбокомпрессора на установившемся режиме прак­ тически не меняется.

В ряде случаев подвод газа к турбине осуществляется от нескольких коллекторов, к каждому из которых (или к отдель­ ному из них) поступает газ от двух или трех цилиндров. При этом различные секторы соплового аппарата в один и тот же момент времени работают при неодинаковых перепадах давле­ ний, что вызывает перетекание газа в межвенцовом зазоре и снижает к. п. д. турбины. Одновременно увеличивается пропуск­ ная способность ступени из-за снижения степени реактивности. Такие явления имеют место в ступенях с парциальным подводом.

При подборе типа и параметров турбины для работы в импульсном потоке с подводом газа ко всему проходному сечению соплового аппарата процесс в ступени обычно рассмат­ ривается как квазистационарный. В качестве критерия оценки эффективности турбины в потоке газов переменных параметров используют среднеинтегральный к. п. д.

^2

I G d t

'2

j GjLjdt U

Располагаемый перепад на ступень LT, а .также расход GT и к. п. д. зависят от параметров газа, которые переменны во вре­ мени t. Приняв неизменной частоту вращения турбокомпрессо­ ра, находят изменение ѵ и л г и производят расчет характеристик

мальную полезную работу, получаемую от турбины при задан­

162

Результаты такого расчета для турбины типа ТК-23 двига­ теля 8ЧН 26/26 приведены на рис. 98.

Для упрощения определения расчетного перепада изменение параметров можно представить в зависимости от перепада [4]. При этом элементарная располагае­ мая энергия выпускных газов перед турбиной

dE = N dt

Построив зависимость Е = f(L), можно найти энергию Е как площадь под кривой Е = f(L). На ту же диаграмму (рис. 99)

Затем рассчитывают характеристики турбины и интегрированием уточняют развиваемую мощность и расход.

Для повышения к. п. д. необходимо, чтобы в период, когда LT и GT максимальны, параметр ѵ был достаточно близок к опти­

мальному значению, т. е. чтобы ѵ > 0,4. Величину ѵ можно

DI j

изменить, изменяя отношение ----- .

к

На рис. 100 приведены результаты расчетов по выбору опти­ мального D2K (при Dгг = const) для турбины ТК-34 двигателя

12ДН 23/30, в котором выпуск осуществляется из трех цилиндров в один коллектор. Уменьшение D2K приводило к соответствующе­ му росту частот вращения, так что и2 = idem. Изменение давле-

ний и температур приведено на рис. 101. Для каждого сочетания гтт и V, совместно решая уравнения (107), (108) и (115), нахо-

Рис. 101. Изменение давления и температуры газа перед турбиной двигателя 12ДН 23/30 в зависимости от угла поворота коленчатого вала

дили мгновенные значения цт, р и Gy, а затем по выраже­ нию (138) определяли среднеинтегральный к. п. д. Кроме подбора оптимального соотношения диаметров, проверялась возможность

164

_______ СОГЛАСОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И СОВМЕСТНАЯ РАБОТА ТУРБИН, КОМПРЕССОРОВ И ПОРШНЕВОЙ ЧАСТИ

ОБЛАСТЬ РАБОЧИХ РЕЖИМОВ АГРЕГАТОВ СИСТЕМЫ ВОЗДУХОСНАБЖЕНИЯ И ТРЕБОВАНИЯ К К. П. Д„ ТУРБОКОМПРЕССОРА

В условиях эксплуатации комбинированные двигатели час­ то работают в широком диапазоне режимов. Область эксплуатационных нагрузок задается при проектировании дви­ гателя в виде характеристики. В качестве примера на рис. 102 приведена характеристика комбинированного двигателя судо­

вой силовой установки, состоящей из трех параллельно работающих дизе­ лей. При частичных нагрузках для по­ вышения экономичности один или два двигателя отключаются, вследствие че­ го изменяется винтовая характеристи­ ка, по которой нагружается работаю­ щий двигатель. Чем выше мощность,

Рис. 102. Характеристики комбинированного двигателя в системе трехвальной судо­ вой установки:

которую может развить двигатель на пониженной частоте вра­ щения, тем экономичнее работает установка на частичных ре­ жимах.

Для согласования характеристик агрегатов системы воздухоснабжения с заданной характеристикой комбинированного двигателя необходимо построить гидравлическую характери­ стику дизеля, представляющую собой зависимость давления наддува ри от расхода воздуха (рис. 103).

Расход воздуха через двигатель

«Z.Q Nc

(139)

Qp

166

Коэффициент избытка воздуха и оценивается по допустимой температуре выпускных газов из уравнения теплового балан­ са [30]

рң — среднее давление насосных потерь.

От величины а зависит и индикаторный к. п. д. гр двигателя. Поэтому снижение а на частичных режимах работы двигателя

На диапазон работы двигателя по расходу воздуха влияет продувка цилиндров. Расход продувочного воздуха

Ф2

Ф 2

ф, емое по меньшей площади сечения впускных или выпускных органов.

167

Средний за период продувки коэффициент расхода цкл мало зависит от режима работы двигателя [30]. Поэтому при по­ стоянных рк и Тк на расход продувочного воздуха основное

достаточной продувки цилиндров необходимо, чтобы -j^-^1,10.

расходов воздуха. На рис. 105 приведены такие характеристики, полученные при сравнительных испытаниях двигателя 8ЧН 26/26 с двумя системами выпуска.

Увеличение продувки цилиндров при работе с импульсной системой позволило сузить необходимый диапазон расходов воздуха при рк = 0,18 МН/м2 от 41 до 23%.

Результаты расчетов и анализ экспериментальных данных показывают, что чем выше требуемый коэффициент приспособ­ ляемости двигателя, тем шире диапазон по расходу воздуха с высоким давлением наддува и тем сложнее задача обеспечения заданных характеристик системы воздухоснабжения. Пара­ метрами, ограничивающими мощность на малых нагрузках, обычно являются температура выпускных газов перед турбиной t"T , косвенно характеризующая тепловую напряженность порш­

168

этапе производят (при необходимости) корректировку проточ­

из условия получения необходимой мощности для требуемого рі; на этом режиме.

установки лопаток диффузора.

Влияние системы воздухоснабжения и к. п. д. турбокомпрес­ соров на характеристики комбинированного двигателя возра­ стает с увеличением давления наддува. Одновременно повы­ шаются требования к к. п. д. турбин и компрессоров. Покажем это на примере системы воздухоснабжения с постоянным дав­ лением перед турбиной, включающей турбокомпрессор с газо­

где принято Gr — G„.

169

Анализ этого уравнения показывает, что с увеличением як растет величина к. п. д. турбокомпрессора, при которой обе­ спечивается я к > Яг. При низких г}тк ухудшается экономич­ ность, снижается а и повышается теплонапряженность дви­ гателя.

Температура газов на выпуске повышается с ростом давле­ ния перед турбиной. При заданной цикловой подаче топлива температура газов Т т зависит также от коэффициента избыт­

ка воздуха и, следовательно, от рп. Согласно эксперименталь­

170

различных температурах газа. Чем выше температура газов и

снижается ли к. п. д. ниже величины, отвечающей условию (143). В противном случае увеличение як вследствие превали­ рующего роста яг будет иметь смысл только при малых коэффи­ циентах избытка воздуха, когда рост « приведет к заметному увеличению индикаторного к. п. д. Если же коэффициент из­ бытка воздуха достаточно высокий, так что т); мало изменяется в зависимости от а, то для понижения t * необходимо повы­

сить к. п. д. турбокомпрессора.

ХАРАКТЕРИСТИКИ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ ТУРБИНЫ

И КОМПРЕССОРА ТУРБОКОМПРЕССОРА С ГАЗОВОЙ СВЯЗЬЮ

Анализ условий работы агрегатов системы воздухоснабжения и возможностей обеспечения заданной характеристики двигателя производится на основе совмещения характеристик компрессора, турбины и поршневой части.

171