книги из ГПНТБ / Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания

В первую очередь совмещают характеристики компрессора (рис. 108) с гидравлической характеристикой двигателя (см. рис. 103). Для этого подбирается близкий по расходу исследо­ ванный компрессор и его характеристика пересчитывается но теории подобия на требуемый диапазон расхода воздуха. Если

возможности расширения диапазона работы компрессора его ре­ гулированием (см. ниже).

В случае, если характеристика компрессора соответствует гидравлической характеристике двигателя, то вопрос о воз­ можности обеспечения заданных режимов при наддуве турбо­ компрессором с газовой связью решается на основе совмещения характеристик компрессора и турбины.

С целью построения универсальной характеристики турбо­ компрессора рассмотрим основные зависимости между пара­ метрами турбины и компрессора, приведенными к условиям окружающей среды.

1. Уравнение баланса расходов газа через турбину GT и воздуха через компрессор GB:

Gr = GB+ АСТ0ПЛ—AGyT.

Расход топлива AGTOira и утечки AGyT составляют 2—3% от расхода воздуха и практически равны, т. е. GT = GB= G.

Приведя расходы к параметрам окружающей среды, получим

172

173

3. Зависимость л к и к. п. д. ѵ)К от приведенного расхода

воздуха и приведенной окружной скорости и2/ I Т0, представ­ ленная в виде характеристики компрессора (рис. 108).

Изменение сопротивления на всасывании в компрессор определяется по формуле (145), куда вместо \ 2 и %с2 подстав­ ляются величины go и Af|) , отнесенные к сечению на входе в компрессор.

4. Зависимость яг и к. п. д. г]Т от приведенного расхода

GVТт

газа ----- -— и относительной окружной скорости ѵ, пред-

Р т

ставленная в виде экспериментальной или расчетной характе­

турбины производится совместным решением зависимостей приведенных мощностей турбины и компрессора от приведен­ ных расхода и окружной скорости. Пример такого совмещения

и2

const

Ѵт0

и т = const соответствуют графическому решению уравнений баланса мощностей и расходов.

Перенеся точки совместного решения на диаграмму харак­ теристик компрессора, получаем универсальную диаграмму

ным условиям окружающей среды такая диаграмма перестраи­

174

В результате совмещения гидравлических нагрузочных ха­ рактеристик двигателя и характеристик турбокомпрессора для каждой ядв можно найти G, соответствующее предельно допу­ стимой температуре Ѵт. Затем из уравнения (140) определяют

Линии постоянных температур перед турбиной проходят очень круто, т. е. при Ѵт = const с уменьшением расхода воз­

духа давление наддува резко падает. Экспериментальные ре­ зультаты удовлетворительно совпадают с расчетами и под­ тверждают такой характер падения давления наддува при не­ изменной температуре газов. Например, если на номинальном режиме при G = 4 кг/с и температуре газов t*. = 650° С дав­

ление рк — 0,25 МН/м2, то при снижении расхода воздуха до 2 кг/с при той же температуре газов давление наддува умень­ шается до 0,157 МН/м2.

Линии t* = const на диаграмме совместной работы

ограничены справа точкой пересечения с вертикальной ветвью расходной характеристики компрессора, вдоль которой потреб­ ляемая компрессором мощность практически не меняется. В об­ ласти более высоких скоростей вращения, где рк и G больше, чем в точке пересечения кривой t* = const с вертикальной

ветвью характеристики компрессора, баланс мощностей дости­ гается при более высокой температуре газов.

175

Изменение диапазона работы по расходу воздуха в зависи­ мости от давления наддува для компрессора и поршневой части существенно различаются между собой. С увеличением рк линии постоянных скоростей вращения двигателя лдв = const расходятся, а диапазон изменения расхода на характеристике компрессора при ы2 = const сужается. Вместе с тем повышение коэффициента приспособляемости высокофорсированного дви­ гателя связано с необходимостью получения высокого давления

Рис. 111. Характеристики турбины, компрессора ТК-38 (6ТК) и поршневой части двигателя 16ЧН 26/26 при сов­ местной их работе:

/ — граница помпажа; / — гидравлические характеристики дви­

наддува при уменьшении его частоты вращения. Так как расход воздуха практически пропорционален пдв, то система воздухоснабжения должна обеспечивать устойчивую работу с возможно меньшим изменением рк при снижении расхода воздуха через двигатель.

Поэтому границей помпажа и правой вертикальной ветвью характеристики компрессора, а также диапазоном изменения расхода через двигатель, определяются границы возможного повышения развиваемого крутящего момента при пониженной частоте вращения коленчатого вала.

176

0,125 МН/м2 до 0,142 МН/м2; при пдв — 800 об/мин давление рк возрастает от 0,142 до 0,195 МН/м2, а при пдв = 900 об/мин — от 0,177 до 0,27 МН/м2. Прирост давления наддува с увеличе­ нием температуры газов по нагрузочной характеристике в области правых ниспадающих ветвей линий t ”r = const вновь

замедляется.

Анализ диаграммы совместной работы позволяет сделать вывод, что с целью повышения давления наддува и крутящего момента при пониженных частотах вращения двигателя жела­ тельно сблизить его гидравлические характеристики по расходу и создать примерно одинаковый их наклон к рабочим линиям t*T = const.

Это позволит обеспечить значительный прирост давления наддува и расхода воздуха с увеличением температуры газов до допустимых пределов. Уменьшение наклона нагрузочной гид­

ласть максимальных к. п. д. компрессора располагалась в зоне высоких ри. Тогда с увеличением давления наддува возрастет отношение рк/рт и увеличится расход воздуха.

На рис. 112 приведены характеристики двигателя 16ЧН 26/26 и турбокомпрессора 6ТК при совместной работе с двумя проход­ ными сечениями соплового аппарата турбины F\ = 150 и 160 см2 и площадью проходного сечения на входе в диффузор F3 — = 97 см2 (аз = 21°). Из приведенных хаарктеристпк следует, что при частоте вращения двигателя пдв = 700 об/мин уменьше­

значительном диапазоне скоростного режима работы двигателя

работе двигателя на полной мощности к. п. д. турбокомпрес­ сора уменьшается на 3—4%. Влияние площадей проходных се­ чений соплового аппарата турбины аналогично рассмотренному выше.

Сочетание проходных сечений турбины и компрессора опре­ деляется заданной ограничительной характеристикой двигате­ ля. В рассмотренном случае проходные сечения соплового аппа­ рата турбины и диффузора компрессора выбраны соответствен­ но Fi = 160 см2 и F3 = 97 см2, что обеспечивает приемлемые

Рис. 112. Характеристики турбокомпрессора 6ТК и двигателя 16ЧН 26/26 с различными сечениями соплового аппарата турбины и диффузорами компрессора:

показатели по экономичности на полной мощности и устойчивую

запас по расходу воздуха в левой верхней точке ограничитель­ ной гидравлической характеристики, турбина же на этом режиме должна развивать необходимую мощность. При номи­ нальной мощности проходные сечения турбины оказываются уменьшенными, в результате чего увеличивается скорость

ТК.-23, настроенного для обеспечения повышенного коэффициен­ та приспособляемости двигателя 8ЧН 26/26, предназначенного для маневрового тепловоза с гидропередачей, имеющей два

178

гидротрансформатора и гидромуфту. На режиме полного кру­ тящего момента (точка А ) запас от границы помпажа составля­ ет 5% по расходу воздуха. Как показали испытания, этого запаса недостаточно: при изменении температуры всасываемого воздуха и сопротивления воздушного тракта компрессор попа­ дал в помпаж. На режиме максимальной мощности (точка Б) давление наддува резко повышается при одновременном сни­ жении температуры газов. Повыше­ ние запаса по расходу воздуха от границы помпажа было достигнуто за счет уменьшения ширины диффу­

зора bз компрессора. В результате рабочая точка, соответствующая полной мощности двигателя, оказа­ лась в зоне низких к. п. д. компрес­ сора, что привело к некоторому по­ вышению температуры на номиналь­ ном режиме и ухудшению продувки

(уменьшилось----за счет падения

Рт

Рк) ■

Рис. 113. Характеристики турбокомпрессора типа ТК-23 и двигателя 8ЧН 26/26 при сов­ местной их работе с повышенным коэффи­ циентом приспособляемости:

1 — граница помпажа; ЛБ — ограничительная гидравлическая характеристика двигателя

Влияние высокой температуры газов на работоспособность дисков и рабочих лопаток проявляется по-разному на низких и высоких скоростях вращения турбокомпрессора. Если макси­ мальная температура газов (обычно 680—700° С) достигается на режиме высокого крутящего момента при пониженных ско­ ростях вращения двигателя, когда относительно низка скорость вращения турбины, то запасы прочности обычно достаточны. Если же при переходе к работе на номинальном режиме повы­ шение п на 25—30% сопровождается ростом температуры газов, то снижаются запасы прочности лопаток и диска турбины (в 1,5—1,7 раза). Это также ограничивает возможности обеспече­ ния высокого коэффициента приспособляемости только за счет настройки турбокомпрессора, особенно при высоких ре.

Увеличение скорости вращения турбокомпрессора и давле­ ния наддува на номинальной мощности может приводить к не­ допустимо высоким давлениям сгорания. Для снижения и2 и рк может быть применен перепуск части газов мимо турбины (см. ниже) или повышение противодавления на выпуске из турби­ ны. Как показывают расчеты и опыты, если создать небольшое

сопротивление на выпуске /?2 = 0,103 ч - 0,106 МН/м2 на режиме максимального крутящего момента, то при работе на полной мощности давление р2, пропорциональное квадрату объемного расхода газа, увеличивается до р2 = 0,110 ч- 0,120 МН/м2, что заметно уменьшает давление наддува и скорость вращения тур­

на одни и те же параметры, показывает, что в зоне малых яг уве­ личение расхода газа вызывает в обоих случаях одинаковый прирост давления р^.. При яг = 1,7 ъ 2,5 осевая ступень имеет

более крутую характеристику. Поэтому рост расхода через сту­ пень приводит к большему повышению теплоперепада и ее мощ­ ности, чем у центростремительной ступени.

На рис. 114 приведена диаграмма характеристик для турбин обоих типов с компрессором типа ТК-38. Вследствие более по­ логого протекания расходной характеристики линия t-r — const

для центростремительной турбины протекает также положе, чем для осевой. В некоторых случаях, особенно при высоких рк, целесообразно переходить к двухступенчатой турбине. Однако следует указать, что возможности улучшения характеристик за счет подбора типа и параметров турбины ограничены. Поэтому находят применение различные способы регулирования турбо­ компрессоров или изменения расходной характеристики сети (двигателя), на которую они работают.

ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ ВОЗДУХОСНАБЖЕНИЯ С СИЛОВОЙ ТУРБИНОЙ

Давление в конце процесса расширения в цилиндре обычно в 2—3 раза превышает давление наддува. В то же время в си­ стеме наддува со свободным турбокомпрессором давление пе­ ред турбиной существенно ниже рк. Следовательно, часть энер­ гии отработавших газов не используется в турбине, т. е. теряет­ ся при дросселировании в клапанах и выпускной системе. При

180

высоких р1{ использование этой энергии может дать значитель­ ный эффект. Увеличение давления перед турбиной и передача ее избыточной мощности на коленчатый вал двигателя обусловли­ вает повышение работы насосных ходов (для четырехтактного двигателя, где допустимо рт> рк)-

Оптимальное давление перед турбиной, очевидно, соответ­ ствует максимуму разности удельных работ:

АL = L j —■

где удельная работа турбины

fr.-1-

Рт

Pa)RTK

L,

Подставив эти выражения в уравнение для АL, получим

где аг — коэффициент восстановления полного давления в трак­ те от цилиндра до турбины.

— рт = 0,42 МН/м2. Оптимальное соотношение давлений соот­

\ РК / ОН

Выигрыш в мощности и экономичности, получаемый с 1 кг газа, можно определить, пользуясь выражением (148). Как по-

р г

называют расчеты, при ——= 1,2-:-1,5 повышение к. п. д. дви-

Р к

гателя может достигнуть 5—6%. Испытания на отсеках двига­ телей ЧН 24/27 и ЧН 26/26 также показали, что при pj/pK=

181