книги из ГПНТБ / Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания

/*. = const практически одинаков для обеих систем турбонаддува.

192

Как показывают результаты расчетного анализа, компрессор первой ступени работает в широком диапазоне изменения л к н и расходов воздуха. Поэтому в области низких расходов имеется опасность попадания его в режим помпажа. Во избежание это­ го приходится несколько удалять расчетную точку на номиналь­ ном режиме от границы помпажа. Вторая ступень работает в уз­ ком диапазоне изменения параметров и возможность ее попа­ дания в область неустойчивой работы маловероятна.

Основные преимущества двухступенчатой системы воздухоснабжения с промежуточным охлаждением проявляются при вы­ соких давлениях наддува. При этом возможности повышения рк форсированием турбокомпрессоров существенно расширяются вследствие снижения частоты вращения роторов турбокомпрес­ соров.

13 Заказ 963

______ РЕГУЛИРОВАНИЕ ТУРБОКОМПРЕССОРОВ

НЕОБХОДИМОСТЬ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТУРБОКОМПРЕССОРОВ

Выше уже отмечалось, что двигатели некоторых типов долж­ ны обладать определенным запасом крутящего момента Мнр (или Ре). Коэффициент приспособляемости, характеризующий способность двигателя обеспечивать запас крутящего момента (или Ре) с уменьшением его частоты вращения, удобно выразить в виде

пмшах

частоте вращения; Мтах — максимальный крутящий момент дви­ гателя; Ms — крутящий момент двигателя на режиме номи­

нальной мощности; tiMmax— частота вращения коленчатого вала двигателя на режиме максимального крутящего момента; «,ѵ —

частота вращения коленчатого вала двигателя на режиме номи­ нальной мощности.

На рис. 122 приведены зависимости крутящего момента от частоты вращения коленчатого вала комбинированных двигате­ лей различного назначения. Транспортные двигатели имеют большие крутящие моменты в широком диапазоне частоты вра­ щения коленчатого вала. При умеренных значениях коэффици­ ента приспособляемости и среднего эффективного давления ра­ бота таких двигателей может быть обеспечена настройкой турбо­ компрессора (см. выше). Однако возможности такого способа ограничены. Поэтому при более высоких средних эффективных давлениях в цилиндрах на номинальном режиме для обеспечения высоких коэффициентов приспособляемости появляется необхо­ димость регулирования турбокомпрессора.

Требуемое давление наддувочного воздуха зависит от часто­ ты вращения вала и коэффициента приспособляемости. На рис. 123 построены гидравлические характеристики двигателя при одинаковом значении среднего эффективного давления на номинальном режиме, но при разных коэффициентах приспособ­ ляемости. При коэффициенте приспособляемости К — 2 (/См =

194

=1,0; Кп= 2) с уменьшением частоты вращения до 0,5ял’ІІОМ

давление наддува снижается. Для коэффициента приспособляе­

появляется необходимость принудительного управления частотой

расходу воздуха.

Диапазон работы двигателя по расходу воздуха есть разность между величинами расходов воздуха на режиме номинальной

работы двигателя в точках Е (или Е') на рис. 124. Точка Е (или Е') лежит на кривой, проведенной эквидистантно границе пом­ пажа компрессора через точку Б (или Б').

Для удобства рабочий диапазон по расходу воздуха выразим в относительном виде:

‘м

%•

АЦ

Чтобы обеспечить устойчивую работу компрессора системы воздухоснабжения, расход воздуха на его помпажной границе (точки С или С') должен быть на 5—10% меньше, чем расход воздуха двигателем на режиме максимального крутящего мо­ мента. Из этого условия определится положение точки D (или D'). Чтобы компрессор работал с удовлетворительным к. п. д., его характеристика должна проходить через точку К, лежащую правее точки А, соответствующей работе двигателя на номи­ нальном режиме (рис. 124). Тогда рабочий диапазон компрес-

сора будет пропорционален отрезку DK’, или его можно выразить в виде формулы

Из изложенного следует, что рабочий диапазон компрессора по расходу воздуха должен быть более широким, чем рабочий диапазон двигателя (бк > 6Д) . В том случае, если рабочий диа­ пазон компрессора меньше рабочего диапазона двигателя (бк < < бд), появляется необходимость регулирования компрессора по расходу воздуха (в этом случае обычно требуется регулирование и турбины). Например, при работе двигателя ЧН 30/38 с посто­ янным средним эффективным давлением 1,18 МН/м2 при К = 2 (коэффициент приспособляемости Кп = 2) диапазон по расходу воздуха был равен бд = 39,4%. Диапазон работы нерегулируе­ мого компрессора этого двигателя был равен èK = 13,8%, т. е. не обеспечивал работу двигателя в заданном интервале измене­ ния режимов. Работа двигателя в заданном интервале измене­ ния режимов была обеспечена применением регулируемого ком-

196

прессора, имевшего поворотные лопатки диффузора в интервале 13—21°. Диапазон работы компрессора при этом был увеличен до 60,4%.

Изменение расхода воздуха вызывает соответствующее из­ менение расхода газа, а следовательно, и теплоперепада в тур­ бине агрегата наддува. Чтобы обеспечить заданные условиями эксплуатации режимы совместной работы двигателя и агрегата наддува по давлению и количеству подаваемого воздуха, появ­ ляется необходимость в регулировании турбины, т. е. в принуди­ тельном изменении проходных сечений ее проточной части (обыч­ но соплового аппарата).

Из уравнения (114) сечение сопел турбины

Ргг/(%)Щ%)Й

Рабочий диапазон турбины 6т удобно выразить через отно­ шение площади сопл на режиме номинальной мощности fіпом к площади сопл на режиме максимального крутящего момента /м. Это отношение определяется параметрами газа перед турби­ ной, которые необходимы для обеспечения указанных режимов работы двигателя:

При работе двигателя ЧН 30/38 с постоянным средним эф­ фективным давлением 1,18 МН/м2 и Кп = 2 (коэффициент при­ способляемости К = 2) рабочий диапазон турбины был равен 6т = 1,82. Это обеспечивалось изменением угла установки соп­ ловых лопаток в диапазоне аі = 20 -к 38° 30'. Изменение рабоче­ го диапазона турбины в зависимости от частоты вращения ко­ ленчатого вала двигателя при этих испытаниях приведено на рис. 124 (крестики — расчетные точки, кружочки — экспери­ ментальные точки).

Регулированием турбокомпрессора удается значительно уве­ личить запас крутящего момента двигателя, расширить диапазон его эксплуатационных режимов. Так на двигателе 6ЧН 15/18

вЦНИДИ был достигнут коэффициент приспособляемости К =

=3,6 при Кп = 2, а на двигателе ЧН 30/38 К= 2 при постоян­

ном среднем эффективном давлении 1,18 МН/м2 (Км = 1 ). Регу­ лирование турбокомпрессора позволяет решать и другие вопро­ сы, связанные с обеспечением основных технико-экономических показателей двигателей, как, например, обеспечение работы с пе­ ременным по величине противодавлением на выпуске, заданных значений мощности в условиях значительного колебания давле­ ния и температуры окружающей среды, приемистости и др.

197

РЕГУЛИРОВАНИЕ КОМПРЕССОРОВ

Регулирование компрессоров, применяемых в комбинирован­ ных двигателях, можно разделить на дроссельное, количествен­ ное и регулирование с помощью перепуска воздуха.

жена. Дросселирование на нагне­ тании оказывает большее влияние на положение расходной точ­ ки, чем дросселирование на входе. Для преодоления создаваемо­ го при дросселировании сопротивления непроизводительно затра­ чивается работа турбины, вследствие чего снижается к. п. д. ТК, поэтому регулирование компрессора ТК дросселированием сле­ дует применять в комбинированных двигателях с невысокими значениями коэффициента приспособляемости.

Количественное регулирование основано на изменении про­ ходных сечений лопаточных аппаратов компрессора в соответст­ вии с необходимым изменением расхода воздуха. Известны не­ сколько способов изменения проходных сечений лопаточных ап­ паратов компрессоров.

198

Теоретический напор компрессора с радиальными лопатками

диаметре (закручивание потока).

Из уравнения (190) следует, что при закручивании потока в направлении вращения теоретический напор будет меньше, а при закручивании потока против вращения — больше, чем для случая, когда сiUcp = 0. Это положение используется в компрес­ сорах, регулируемых поворотными лопатками ВНА.

199

На рис. 127 представлены характеристики компрессора, когда регулирование его осуществляется поворотными лопатками вход­ ного направляющего аппарата. При отсутствии закручивания потока (аі = 90°) рабочий диапазон компрессора был равен 47%. Регулирование компрессора поворотом лопаток входного направ­ ляющего аппарата позволило увеличить суммарный диапазон до 90,3%. Диапазон расширился в основном при углах си <90° из-за сдвига границы помпажа в сторону меньших расходов. По сравнению с режимом без закручивания на 7—8% уменьшилась

как показали расчеты, является рост числа Маха в относитель­ ном движении на входе до Мш, = 0,95, что находится на границе его допустимых значений. Исследования стационарных компрес­ соров также показывают, что возможности сдвига характеристик закручиванием потока против вращения меньше, чем закручива­ нием по вращению. В связи с этим проектанту в качестве рас­ четного следует выбирать режим, близкий по производительно­ сти к максимальному [Gpa 0 4 (0,9 ч- 0,95) Gmax]-

Регулирование компрессора поворотом лопаток входного на­ правляющего аппарата нашло применение в агрегатах наддува поршневых авиадвигателей (в случае привода этих агрегатов от

с неподвижными лопатками, так и с регулируемыми поворотны­ ми. Конструктивная схема одного из аппаратов с поворотными лопатками приведена на рис. 128. Входные направляющие аппа­ раты с поворотными лопатками используются в некоторых агре­ гатах наддува двигателей транспортного назначения [30].

Другой разновидностью количественного регулирования яв­

200

При прочих равных условиях расход воздуха через компрес­ сор пропорционален синусу угла аз входа потока на лопатки диффузора, что используется при регулировании компрессора поворотом диффузора.

Несколько конструкций регулируемых диффузоров для рабо­ ты в системе наддува транспортных двигателей было разрабо­ тано и испытано на Коломенском тепловозостроительном заводе им. В. В. Куйбышева. В конструкциях, приведенных на рис. 129,

поворачивалась только передняя часть лопатки — «носик». По­ ворот «носика» осуществляется осью 2 (рис. 129, а) и эксцентри­ ковой втулкой 8 (рис. Г29, б). Поворотная часть лопатки имела две опоры. Вследствие этого уменьшалась вибрация лопаток от набегающего потока воздуха и износ цапф. В первых образцах диффузора, схематически изображенного на рис. 130, наблюдал­ ся повышенный износ лопаток в месте соединения с поворотны­ ми рычагами и износ цапф лопаток вследствие их вибрации. Для устранения износа уже в серийном производстве была введена термообработка сухарей и цапф, уменьшены зазоры в сопряже­ ниях, повышена несущая способность опор, в которых вращают­ ся оси лопаток (поставлены втулки из бронзы). Для устранения зазора поворотнціх лопаток, который обычно несколько растет с увеличением срока службы, целесообразно механизм поворота лопаток нагружать (например, цилиндрическими пружинами).

201