книги из ГПНТБ / Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания

= 1,2 -г- 1,5 экономичность двигателя с силовой турбиной оказы­ вается на 4—6% выше, чем с турбокомпрессором, имеющим газовую связь с поршневой частью.

Использование избыточной мощности турбины при механиче­ ской связи турбокомпрессора с двигателем сопровождается ухудшением к. п. д. турбины вследствие отклонения параметра ѵ от оптимальных значений при работе с пониженными частотой вращения и нагрузками двигателя. Частота вращения компрес­ сора и давление наддува в этом случае определяются частотой вращения дизеля. Поэтому при работе по нагрузочной характе­ ристике падает механический к. п. д. двигателя, а при работе с пониженной частотой вращения давление наддува существен­ но меньше, чем на номинальном режиме. Кроме того, вследствие высокого передаточного отношения усложняется механическая связь между поршневой частью и турбиной.

С целью уменьшения механических потерь на частичных на­ грузках и передаточного отношения применяют две турбины, од­ на из которых вращает компрессор, а другая является силовой. Для правильного выбора параметров обеих турбин и последова­ тельности их расположения необходим расчетный анализ харак­ теристик работы в широком диапазоне расходов газа.

Исходные данные для проектирования обоих турбин выбира­ ют по результатам экспериментального исследования отсеков или аналогичных двигателей. Используя их, определяют ри, р*т<

Т*т, G, соответствующие максимальной экономичности. Уточне­

ние выбранных параметров производят в результате последую­ щего расчета характеристик совместной работы турбин, и ком­ прессора.

Для получения необходимых экспериментальных данных ис­ пытания двигателя, например, лучше производить при установ­ ке на нем регулируемого турбокомпрессора. Таким образом, поступали при испытании двигателя 12ЧН 30/38. Противодавле­ ние за турбиной изменялось поворотной заслонкой. На каждом режиме работы регулированием положения лопаток соплового аппарата и поворотных лопаток диффузора компрессора уста­ навливались необходимые величины давлений рк и р*т. Частота

вращения турбокомпрессора при этом регулировалась изменени­ ем противодавления за турбиной. Мощность силовой турбины и удельный расход топлива установки определялись расчетным пу­ тем по данным испытаний при каждом сочетании рк, р ”т и Т'г .

с силовой турбиной улучшение экономичности составляет 6—7% по сравнению с двигателем без силовой турбины

182

С ростом давления газов перед турбиной расход воздуха не­ сколько уменьшается. Поэтому при установке силовой турбины,

часть компрессора необходимо откорректировать из расчета уменьшения расхода воздуха примерно на 10%. Компенсировать уменьшение расхода при росте р'тможно некоторым повышением

давления наддува. Мощность комбинированного двигателя с си­ ловой турбиной при одинаковом ре в цилиндрах повышается на

15—20% по сравнению с двигателем с турбокомпрессором, име­ ющим газовую связь с поршневой частью.

Для анализа параметров работы на частичных режимах рас­ смотрим характеристики совместной работы турбин и компрес­ соров при двух схемах последовательного расположения силовой и турбокомпрессорной турбины:

1. Силовая турбина (ТС) располагается по ходу газа следом за турбокомпрессорной (ТК) — ТК + ТС (рис. 116).

2. Силовая турбина располагается по ходу газа перед турбо­ компрессорной — ТС + ТК (рис. 117).

Последовательность расчета для схемы ТК -Т ТС представ­ лена графически на рис. 116. Характеристики турбокомпрессор­ ной турбины для V= const перестраиваются в координатах

где р\тк. Т*2тк давление и температура заторможенного потока на выходе из турбокомпрессорной турбины.

После такого преобразования расход газа оказывается при­ веденным к параметрам торможения перед силовой турбиной.

183

Рк Воздух

Рис. 116. Схема ТК + ТС и последовательность расчета ее характеристик:

а — схема: 6 - - построение характеристик: / —- д в и га ­ тель; 2 — охладитель воз­ духа

Кроме этого, в расчете используются характеристики турбоком­

втурбокомпрессор Г*. Характеристика турбокомпрессорной

турбины NTK — f(G,Tr) совмещается с характеристикой ком-

184

прессора, что позволяет построить характеристики турбоком­

прессора pK— f(G, Тт) (рис. 118) при совместной их работе. Расчет характеристики турбокомпрессоров по схеме ТС -!- ТК производят в следующей последовательности. По методике, из­ ложенной выше, строят характеристику турбокомпрессора. Да­

лее определяют линии постоян­ ных температур газа перед сило­

Рт

(при этом используют условие равенства параметров торможе­ ния за силовой и перед турбо­ компрессорной турбинами). По­ сле этого определяют давление

рассчитывают мощность силовой турбины. Схема расчета приве­ дена на рис. 117.,

Характеристики турбоагрегатов с обеими схемами включения силовой турбины и турбокомпрессора приведены на рис. 118. На номинальном режиме ( р * г = 0,32 МН/м2, р к = 0,275 МН/м2, t*, =

= 650° С) последовательность расположения турбины по ходу газа незначительно влияет на величину к. п. д. Некоторым преи-

185

муществом схемы ТК + ТС является возможность повысить к. п. д. турбины на 1—2% из-за уменьшения потерь энергии с вы­ ходной скоростью, так как в этом случае турбина низкого давле­ ния вращается с меньшей скоростью и лопатки ее менее напря­ жены, чем при работе по схеме ТС + ТК-

Существенное различие между обеими схемами выявляется в результате сравнения изменения давления наддува при Гг —

= const в зависимости от расхода воздуха. При работе группы последовательно расположенных ступеней [17] на переменных режимах с уменьшением расхода газа происходит падение об­ щего теплоперепада, причем основное уменьшение располагае­ мого перепада приходится на последнюю по ходу газа турбину.

В системе ТК + ТС с уменьшением частоты вращения дизеля и соответственно расхода газа падение общего перепада давлений на обе турбины распределяется так, что отношение давлений в турбокомпрессорной турбине пТк и, следовательно, частота вращения компрессора меняются незначительно, а мощность си­ ловой турбины снижается заметно. В результате при t*r = const

давление наддува в определенном диапазоне расхода газа ока­ зывается достаточно высоким.

При включении турбин по схеме ТС + ТК происходят обрат­ ные явления, вследствие чего с уменьшением частоты вращения дизеля и расхода газа давление наддува при t^. = const сни­

жается. Интенсивность падения рк в этом случае почти не отли­ чается от интенсивности его уменьшения при работе с турбоком­ прессором, имеющим газовую связь с поршневой частью.

фективное давление двигателя при работе его с пониженной ча­ стотой вращения и тем самым увеличить его коэффициент при­ способляемости. Расширение пологой части кривой t\ = const

достигают увеличением мощности силовой турбины при неизмен-

186

ном рк на номинальном режиме работы установки. При этом для сохранения высокой экономичности давление перед турбиной

Pf

должно быть в диапазоне---- = 1,3 л- 1,5. Изменение характерн­

ых стики совместной работы при увеличении р'тот 0,32 до 0,4 МН/м2

( Рг

---- растет от 1,185 до 1,48) для давления наддува рк =

VРк

=0,275 МН/м2 на номинальном режиме приведено на рис. 118.

Характер изменения давления наддува от расхода воздуха

ничены уже не падением мощности турбины при малых расхо­ дах воздуха, а границей помпажа и ниспадающей ветвью харак­ теристики компрессора. В связи с этим для получения высокого коэффициента приспособляемости двигателя с высоким наддувом необходимо расширить диапазон работы компрессора по расходу воздуха (см. выше).

Как показывают расчеты, установка силовой турбины по схе­ ме ТК + ТС увеличивает приемистость двигателя. Время пере­ ходного процесса снижается на 40—50% по сравнению со време­ нем переходного процесса турбокомпрессора с газовой связью или при работе по схеме ТС 4- ТК-

Установка силовой турбины по схеме ТК 4- ТС придает ком­ бинированному двигателю важное качество: его работа мало за­ висит от противодавления на выпуске. С увеличением р-г умень­ шается в основном мощность силовой турбины, а перепад на тур­ бокомпрессорную турбину, ее мощность и, следовательно, давле­ ние наддува меняются мало.

ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ ВОЗДУХОСНАБЖЕНИЯ С ДВУХСТУПЕНЧАТЫМ ТУРБОНАДДУВОМ

Повышение давления наддува до рк = 0,3 л- 0,5 МН/м2 в пер­ спективных двигателях связано с необходимостью одновремен­ ного повышения к. п. д. компрессора и расширения его диапа­ зона работы по расходу воздуха. Однако с увеличением окруж­ ной скорости колеса компрессора диапазон изменения расхода при U-2 = const от границы помпажа до режима запирания су­ жается. Одновременно падает адиабатический к. п. д. компрес­ сора. На рис. 119 для примера приведены зависимости макси­ мальных к. п. д. нескольких компрессоров от окружной скоро­ сти. При « 2 > 300 м/с наблюдается заметное снижение к. п. д. как рабочего колеса т]кол, так и компрессора цк в целом. Для

Возможности расширения диапазона расходов воздуха иллю­ стрируются сравнением характеристик нескольких компрессоров

187

метров колеса и диффузора и достаточной их пропускной способ­ ности возможно достижение диапазона по расходу около 40%. Однако с дальнейшим ростом и2 диапазон расходов существенно сужается.

Расширение диапазона работы по расходу воздуха возможно при применении двухступенчатого компрессора или двухступен­

Для примера рассмотрим характеристику двухступенчатого компрессора с разными диаметрами рабочих колес: на первой ступени и2 = 300 м/с, а на второй и2 = 250 м/с. Построение ха­ рактеристики двухступенчатого компрессора по известным ха­ рактеристикам его ступеней проводим по известной методике [31]. В качестве исходных использованы опытные характеристи­ ки компрессоров типа ТК-34 и ТК-30 (рис. 120). В приведенном примере расчета учитывалось изменение плотности воздуха меж­ ду ступенями, причем предполагалось, что охлаждение воздуха осуществляется в промежуточном холодильнике до /ов = 40° С.

1 8 8

Полученная характеристика двухступенчатого компрессора при яхтах = 3,2 имеет диапазон по расходу воздуха такой же, как и у первой ступени при я к = 2, и значительно больший, чем у одноступенчатого компрессора лА-піах= 3,2.

С ростом л к существенно возрастает энергия газов, идущих в турбину. При двухступенчатой системе уменьшение потребляе­

где индексы «н» относятся к первой ступени компрессора низко­ го давления, «в» — ко второй ступени компрессора высокого дав­ ления.

Найдем соотношение между степенями повышения давлений в I и II ступенях компрессора, соответствующее минимальной работе сжатия. При этом рассмотрим два случая:

1. Температура воздуха на входе во П-ю ступень компрессора

Го.в не зависит от л к Тогда из условия длк = 0 с учетом соот-

в компрессоре увеличивается с ростом л к . При давлении надду­ ва рк = 0,32 МН/м2 и охлаждении воздуха на входе во II ступень до 60° С снижение необходимой мощности турбины достигает 8%, что повышает экономичность комбинированного двигателя на 2—3%.

Преимущества двухступенчатой системы турбонаддува с про­ межуточным охлаждением могут быть использованы на двига­ теле в двух случаях. В первом случае между турбоагрегатами и поршневой частью осуществляется только газовая связь. При этом уменьшение мощности, потребляемой компрессорами, при­ водит к снижению насосных потерь и коэффициента остаточных газов.

189

Во втором случае освободившаяся избыточная мощность тур­ бины передается на коленчатый вал через механическую пере­ дачу. Съем мощности может осуществляться от турбины, вклю­ ченной параллельно или последовательно по ходу газа с турби­ нами привода компрессоров, или от одной из турбокомпрессор­ ных турбин, спроектированной соответствующим образом. Как показывают расчеты, при втором способе можно добиться повы­ шения экономичности двигателя.

шестицилиндровом двигателе фирмы Нордберг [44] с внутрен­ ним охлаждением воздушного заряда по способу Миллера. Ос­

= 43%. Для повышения развиваемого момента на непомипальных частотах вращения коленчатого вала позднее закрывается впускной клапан, что приводит к увеличению наполнения ци­ линдра и расхода газа.

Двухступенчатый наддув двумя последовательно работающи­ ми турбокомпрессорами улучшает использование энергии им­ пульсов, так как І-я ступень турбины (высокого давления) ра­ ботает в пульсирующем потоке, а 11-я — в потоке постоянного давления. Турбина высокого давления имеет меньшую мощность,

мой Паксман, показали, что применение двухступенчатого тур­ бонаддува существенно снижает теплонапряжепность основных деталей поршневой части при высоких ре. Например, при ре = = 2,4 МН/м2 и Ядв = 1000 об/мин в случае двухступенчатого тур­ бонаддува расход воздуха увеличился на 25%, а температура выпускных газов снизилась на 20% по сравнению с теми же па­ раметрами при одноступенчатом турбонаддуве. Фирма Фуджи (Япония) на двигателе 6ЧН 26/32 вследствие применения двух­ ступенчатого турбонаддува добилась повышения ре до 2,5 МН/м2 при сохранении допустимого уровня теплонапряженности порш­ невой части.

Принципиально возможны три схемы соединения турбин и компрессоров при двухступенчатом турбонаддуве.

1. Ступень низкого давления компрессора и 11-я ступень тур­ бины соединены в одном агрегате турбокомпрессора низкого дав­ ления, П-я ступень компрессора и І-я ступень турбины соедине­ ны в турбокомпрессоре высокого давления.

2. І-я ступень компрессора соединена с І-й ступенью турби­ ны, а П-я ступень компрессора — со 1!-й ступенью турбины.

190

3. Оба компрессора соединены одним валом и приводятся общей турбиной.

Совместная работа двух последовательно включенных цен­ тробежных компрессоров, между которыми возможно примене­ ние промежуточного охлаждения, и двух турбин, приводящих компрессоры, на переменных режимах отличается различным из­ менением параметров для указанных трех схем.

При уменьшении частоты вращения дизеля и соответственно расхода воздуха снижается теплоперепад в турбине низкого дав­ ления. В первой схеме, когда эта турбина приводит в действие І-ю ступень компрессора, резко снижается частота вращения, в результате чего смещение рабочей точки происходит в область меньших расходов на характеристике компрессора; в ту же об­

в область пониженных к. п. д. Поэтому вторая схема неприем­ лема для двигателей, работающих в широком диапазоне изме­ нения режимов. Третья схема по запасу устойчивости І-й ступе­ ни компрессора занимает промежуточное положение между первыми двумя. Конструктивно выполнение первой схемы наи­ более простое: могут быть использованы серийно выпускаемые турбокомпрессоры. Поэтому наиболее целесообразно двухсту­ пенчатый турбонаддув выполнять по первой схеме. Применитель­ но к первой схеме рассмотрим методику построения характери­

и высокого давлений. Кроме того, для турбины высокого давле­ ния по режимам совместной работы с компрессором строят ха-

\Р*2в )

ТКВД зависимость между давлениями на выходе из турбины и на входе в компрессор находят из расчета характеристик ТКНД.

считывают температуру воздуха перед ІІ-й ступенью компрессо­ ра и расход воздуха, приведенный к параметрам перед ІІ-й сту­ пенью:

191