книги из ГПНТБ / Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания

Рис. 130. Диффузор с промежуточными и составными поворот­ ными лопатками:

/ — неподвижная часть лопатки; 2 — поворотная часть лопатки; 3 —

Рис. 131. Диффузор с целыми поворотными лопатками:

1, 2 — торцовые стенки; 3 — поворотные лопатки; 4 — промежуточ­ ные лопатки в межлопаточных каналах

Рис. 132. Диффузор с поворотными лопатками фирм Вортинг­ тон:

/ — поворотный диск; 2 — лопатки двухъярусной диффузорной решетки

Был разработан и испытан диффузор (рис. 131), у которого поворачивалась вся лопатка 3. В выходной части межлопаточ­ ных каналов этого диффузора установлены укороченные проме­ жуточные лопатки 4, которые уменьшают диффузорность кана­ лов, а также придают жесткость всей конструкции. Такой диф­ фузор, как показали исследования, имеет удовлетворительные характеристики по диапазону работы и напору (см. ниже). Из­ вестны конструкции диффузоров с поворотными лопатками в ста­ ционарных компрессорах. Фирма Вортингтон (США) разрабо­ тала конструкцию регулируемого диффузора, в котором лопатки двух типов (рис. 132) расположены на поворотных дисках.

Регулирование компрессора поворотом лопаток диффузора следует применять в двигателях с высокими значениями средне­ го эффективного давления и коэффициента приспособляемости. Нижней границей применения регулирования компрессоров по­

На рис. 130 показана схема установки целых поворотных ло­ паток в регулируемом диффузоре для турбокомпрессора ТК.-40. Размеры этого компрессора были выбраны исходя из требований ■обеспечения коэффициента приспособляемости двигателя К — = 2,0 при среднем эффективном давлении в цилиндрах на номи­ нальном режиме Реном = 1,18 МН/м2. При проектировании за расчетный был принят режим, соответствующий расходу воздуха GpaC4 = 0,7G„OM, степени повышения давления лк = 3,0 и окруж­ ной скорости М2 пр = 404 м/с. На режиме максимального расхода число Маха в относительном движении на выходе из колеса ком­ прессора М2 = 0,965. Конструктивные углы лопаток вращающе­ гося направляющего аппарата были выбраны из условия, чтобы при минимальном расходе углы атаки не превышали 10—12°, д при максимальном — чтобы проходные сечения на входе были достаточными и не допускали «запирания колеса».

Изменение л к = [(G) при различных и2 и Даз для указанного компрессора приведено на рис. 133. Анализ диаграмм показыва­ ет, что с увеличением окружной скорости рабочий диапазон ком­ прессора сужается. Это характерно для центробежных компрес­ соров и объясняется тем, что с повышением окружной скорости возрастают числа Маха перед лопатками диффузора. При оди­

== 0) приводит к незначительному изменению диапазона ком­ прессора. Поворот лопаток на раскрытие ( + Даз) приводит к не­ которому увеличению диапазона, что связано, по-видимому, ча­ стично с уменьшением потерь в безлопаточном диффузоре (сокращается его длина), а частично с лучшим согласованием

марный рабочий диапазон компрессора был увеличен до 65,6%,

203

т. е. приблизительно в 7,5 раза по сравнению с диапазоном при исходном положении лопаток (Д«3 = 0). При «2 іФ = 362 м/с ре­ гулированием положения лопаток суммарный диапазон компрес­ сора был увеличен до 84,2%.

На этом же компрессоре были проведены также исследова­ ния влияния наличия промежуточных лопаток (рис. 134). Про­ межуточные лопатки были спрофилированы так, чтобы углы уширения образовавшихся межлопаточных каналов были при-

Рис. 133. Характеристики компрессора с поворотными лопатками диффузора

мерно равны между собой. Суммарная площадь горла этих ка­ налов больше, чем площадь горла на входе в диффузор. Длина промежуточной лопатки была равна 45% длины межлопаточно­ го канала по средней линии. Испытания носили сравнительный характер и проводились при одном значении окружной скорости Ы2 пр = 350 м/с. На рис. 134 показаны зависимости характери­ стики компрессора при двух крайних положениях поворотных лопаток (Лаз = — 5° 30' и Лаз =-8°30'). При отрицательных зна­ чениях Доз (поворот лопаток на закрытие) диапазон работы ком­ прессора с промежуточными лопатками составляет 47% (диа­

воздуха. Рабочий диапазон в этом случае практически не изме­ няется (35,3—36,2), а изменяются предельные значения расхо­ дов на границах устойчивой работы: у компрессора с промежу­

204

точными лопатками граница помпажа находится левее, чем у компрессора без этих лопаток. Однако предельная величина расхода у компрессора без промежуточных лопаток больше при­ близительно на 8%. При обоих положениях поворотных лопаток к. п. д. ниже у компрессора с промежуточными лопатками. При­ чиной этого, по-видимому, являются повышенные потери на тре­ ние и удар вследствие несовпадения углов набегания потока и установки профиля лопаток. Таким образом, эффект от установ­ ки промежуточных лопаток в выходной части межлопаточных

Рис. 134. Влияние промежуточных лопаток на ха­ рактеристики компрессора ТК-40:

/ — с промежуточными лопатками; 2 — без промежу­ точных лопаток

каналов диффузора с поворотными лопатками зависит от на­ правления отклонения поворотных лопаток от их исходного по­ ложения (т. е. от угла и з) . Промежуточные лопатки могут ока­ заться целесообразными, если требуется сдвинуть в ограничен­ ных пределах границу помпажа в сторону меньших расходов.

Характеристики компрессора турбокомпрессора типа ТК-40 с целой поворотной лопаткой диффузора приведены на рис. 135. Зазор между торцами поворотных лопаток и стенками канала

= 230%, т. е. увеличился приблизительно в 10,4 раза по сравне­ нию с диапазоном при номинальном положении лопаток.

205

Этот же диффузор был использован для исследования влия­ ния зазора 6з между торцами поворотных диффузорных лопаток и стенками межлопаточного канала. Зазор, необходимый для свободного поворота лопаток, является вредным, так как он слу­ жит каналом для перетечек воздуха. Кроме того, при нежестком закреплении и торцовом зазоре поворотные диффузорные лопат­ ки могут вибрировать, что также сказывается отрицательно на характеристиках компрессора. Поворотные лопатки диффузора были зафиксированы жестко в положении ссз = 22° 3(У. Зазоры:

•*

лены жестко)

между торцами поворотных лопаток и стенками межлопаточных;, каналов были устранены при помощи эпоксидной смолы. Устра­ нение зазора и жесткая фиксация лопаток положительно сказа­ лись на характеристиках компрессора (рис. 136). Коэффициент напора Н а*д в зоне максимальных значений вырос на 1—3%. Со­

ответственно выросла и степень повышения давления. Рабочий диапазон компрессора расширился с 22 до 36,5% (приблизи­ тельно в 1,65 раза), т. е. показатели работы компрессора замет­ но улучшились.

При малых углах «3 установки диффузорных лопаток диапа­ зон компрессора может быть ограничен срывом потока в межло­ паточных каналах вращающегося направляющего аппарата из-за недопустимых углов атаки. В этом случае некоторое закручива­ ние потока по вращению (т. е. оц < 90°) может уменьшить углы атаки во вращающемся направляющем аппарате и сдвинуть,

206

помпажную характеристику в область меньших расходов. При. максимальных углах из пропускная способность компрессора мо­ жет лимитироваться ВНА. Закручивание потока перед вращаю­ щимся направляющим аппаратом против направления вращения

больших расходов. В свою очередь, лопаточный диффузор может ограничивать, с одной стороны, диапазон работы компрессора вследствие возникновения срывных режимов в его межлопаточ­ ных каналах, а с другой стороны, вследствие «запирания» (при больших углах набегания потока на вогнутую часть лопаток). Поэтому одновременное изменение угла установки лопаток вход­ ного направляющего аппарата и диффузора может привести к расширению диапазона работы компрессора и улучшению его показателей.

Сравнение эффективности регулирования компрессора пово­

При регулировании компрессора только поворотными лопат­

ками ВхНА минимальный расход Gcp = 0,85, степень повышения давления при этом снизилась на 10%, а г|ад и Н *д соответственно

на 6 и 7%. При максимальном расходе Gcp = 1,05, к. п. д. сни­ зился на 7,5%.

При регулировании компрессора только лопатками диффузо­

ра был получен минимальный расход Gcp = 0,84, степень повы­ шения давления и коэффициент напора снизились на 3%, а к. п. д. остался без изменения. Максимальная величина расхода

Gcp = 1,15. Напор и к. п. д. компрессора при этом практически не изменились.

При регулировании одновременным поворотом лопаток вход­

ного направляющего аппарата и диффузора Gcp = 0,79 при сни­ жении лк на 8% и к. п. д. на 3,5%. Максимальная величина рас­

хода составила Gcp = 1,22, к. п. д. компрессора в этом случае не­ сколько снизился по сравнению с к. п. д. при регулировании

только лопатками диффузора.

Из проведенных исследований следует, что регулирование компрессора совместным поворотом лопаток входного направ­ ляющего аппарата и диффузора значительно расширяет его ра­

207

бочий диапазон. Такой способ регулирования может быть реко­

прессор пропорционален высоте канала диффузора b3. Изменяя Ь3 соответственно изменению расхода, можно сохранить неизмен­ ными углы набегания потока на лопатки диффузора. Следова­ тельно, в определенных пределах можно менять положение гра­

турбокомпрессора типа ТК-23, при которых высота канала лопа­ точного диффузора менялась в пределах 0,885—1,0. При степени повышения давления в компрессоре пк = 2,0 граница помпажа сместилась соответственно изменению высоты канала, к. п. д. компрессора не изменился. Результаты опытов согласуются с другими известными исследованиями. В конструкции компрес­ сора с регулированием изменением высоты канала диффузора необходимо принять меры, исключающие чрезмерные потери на удар. Как показывают исследования, этот способ регулирования может быть достаточно эффективен при изменении параметров компрессора в узких пределах.

Регулирование с помощью перепуска воздуха основано на выпуске избыточной части воздуха из полости нагнетания ком­ прессора. Применительно к условиям работы в комбинирован­ ных двигателях регулирование такого типа целесообразно ис­ пользовать для устранения помпажа, ограничения давления воз­

208

духа на впуске и изменения характеристики системы воздухоснабжения перепуском части воздуха на вход в газовую тур­ бину.

При перепуске части воздуха компрессор работает с произ­ водительностью GK, при которой обеспечиваются расчетные уг­ лы набегания потока на лопаточные аппараты. Через двига­ тель же проходит количество воздуха Од = GK — AG. Если пе­ репускаемый воздух направлять в компрессор по касательной к лопатке у периферии входного отверстия в направлении вра­ щения колеса, то можно также расширить диапазон работы ком­ прессора. При направлении этого воздуха в турбину частично используется его энергия и снижается температура газа перед лопатками.

Если давление на входе в двигатель превышает заданное (что характерно при работе на режимах внешней характеристи­ ки с частотой вращения коленчатого вала, близкой к номиналь­ ной), то перепускной клапан открывается, давление понижается. Излишний воздух целесообразно направлять за турбину для эжектирования газов.

Сжатый компрессором воздух при перепуске части его в га­ зовую турбину увеличивает работу газов. В результате можно повысить давление наддува при работе двигателя с малой часто­ той вращения, а также отодвинуть границу помпажа. Эффек­ тивность этой системы регулирования увеличивается с ростом к. п. д. турбокомпрессора. На двигателе 16ЧН 26/26 вследствие применения системы наддува с перепуском воздуха в турбину среднее эффективное давление в цилиндрах при п = 0,7я!ЮМбы­ ло увеличено с 1,2 до 1,58 МН/м2.

Регулирование с помощью перепуска воздуха нашло приме­ нение в некоторых комбинированных автотранспортных двига­ телях.

РЕГУЛИРОВАНИЕ ТУРБИН

В турбинах комбинированных двигателей применяют каче­ ственное, количественное регулирование и регулирование с по­ мощью перепуска газа.

Качественное регулирование осуществляется путем измене­ ния параметров газа перед турбиной. В комбинированных дви­ гателях такой способ регулирования возможен при установке специальной камеры сгорания, в которую подается дополнитель­ ное топливо, или дросселированием газов, поступающих в тур­ бину. Для применения такого регулирования турбины в выпуск­ ных газах двигателя должно содержаться достаточное количе­ ство кислорода для сжигания дополнительного топлива [24].

Дросселирование заслонкой производится за турбиной или перед ней. Если заслонка расположена за турбиной, можно ме­ нять величину противодавления за турбиной и поддерживать

требуемую степень понижения давления газов в турбине. Это позволяет на режимах, близких к режимам номинальной мощ­

Рис. 139. Параметры двигателя при дрос­ сельном регулировании турбины турбо­ компрессора

В центростремительных турбинах с безлопаточным сопловым аппаратом дроссельную заслонку следует устанавливать в газо­ приемной улитке турбины [27].

Несмотря на недостаточно высокую экономичность, дроссель­ ное регулирование нашло применение в некоторых силовых уста­ новках (например, в двигателях ЧН 30/38 [2]).

Количественное регулирование осуществляется изменением проходных сечений турбины. В ступенях турбины, используемых в комбинированных двигателях, расход газа, определяемый про­ ходным сечением соплового аппарата,

где D1 — диаметр ступени турбины.

Из уравнения (155) следует, что расход через турбину может регулироваться путем изменения степени парциальное™ е, утла си выхода потока газа из соплового аппарата и высоты сопло­ вого канала 1\. Это и используется в различных вариантах коли­ чественного регулирования. Количественное регулирование мо­ жет осуществляться ступенчато, как это принято в паротурбостроении, и бесступенчато, что характерно для газотурбостроения. При ступенчатом регулировании меняется или степень

210

парциальное™ турбины е, или высота соплового канала 1\, или угол «I выхода потока из соплового аппарата.

Регулирование изменением степени парциальное™ основано на отключении части соплового аппарата.

На рис. 140 показана одна из схем парциального регулиро­ вания. В этом случае каждую выпускную трубу подводят к от­ дельному сектору соплового аппарата. При малой частоте вра­ щения коленчатого вала двигателя специальным шибером 1 (рис. 140, а) газы из двух или трех труб перед турбиной направ-

Рис. 140. Схемы регулирования турбин турбокомпрес­ сора изменением степени иарциальности

ляют в один трубопровод, из которого они поступают в рабочее колесо турбины через Ѵг или 7з площади соплового аппарата. При этом возрастают частота вращения ротора и давление над­ дува. Для предотвращения помпажа предусмотрено регулирова­ ние компрессора поворотом лопаток входного направляющего аппарата. В многоцилиндровых двигателях при наличии четырех выпускных труб можно создать схему регулирования с четырьмя ступенями и последовательно отключать 25, 50 и 75% площади проходного сечения соплового аппарата. Проведенные исследо­ вания такой системы со степенью парциальности е = 0,5 показа­ ли, что несмотря на падение к. п. д. турбины вследствие парци­ ального подвода в 1,1 —1,2 раза было обеспечено повышение крутящего момента двигателя ДН 23/30 приблизительно в 1,2 ра­ за при п = 0,55п„ом-