книги из ГПНТБ / Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания

Аналогичная схема регулирования центростремительной тур­ бины предложена в одном из французских патентов (рис. 140, б). Разделенный на секторы сопловой аппарат соединен с выпуск­ ным коллектором клапанами 2. В зависимости от режима рабо­ ты газы поступают или через все сечения соплового аппарата, или только через его часть.

Если изменять высоту канала 1\, то приблизительно пропор­ ционально будет меняться расход газа. Такое регулирование

конструктивно проще осуществить в ЦСТ. Исследования турбо­ компрессора ТКР-40 с переменной высотой соплового канала при одновременном изменении угла аі (схема проточной части турбины приведена на рис. 141), излагаются ниже. При испыта­ ниях зазор 5і между торцами поворотных сопловых лопаток 4 и стенкой 2 соплового канала выдерживался постоянным. Относи­

тельная величина его находилась в пределах бі = —- = 3,82 -у- 0

и- 4,14%. Высота 1\ соплового канала изменялась уменьшением или увеличением толщины прокладки 5, а торцовый зазор сохранялся постоянным вследствие шлифовки торцов сопловых лопаток. Угол сц выхода потока из соплового аппарата менялся в пределах 12—48° поворотом лопаток. Испытания проводились при степени понижения давления газов л г = 2,0 и UJCajl = 0,6.

212

На рис. 142 приведено изменение к. п. д. турбины и расхода газа при различных значениях угла сц в зависимости от относи­

при постоянном значении си изменяется незначительно. Напри­

мер, уменьшение относительной высоты канала от 0.955 до

0,83 при углах си = 27° 45' и 48° приводит к изменению к. п. д. на 0,5—1,5%. При меньшем значении угла си = 12° такое же из­ менение относительной высоты привело к снижению к. п. д. на

В одном из конструктивных вариантов такого регулирования (рис. 143, а) сопловой канал был разделен по высоте перегород­ кой. Газ подавался в турбину по двум трубам к обеим половинам соплового аппарата при номинальной частоте вращения колен­ чатого вала двигателя, а при снижении частоты вращения — че­

так и радиально-осевых турбин. Исследованиями [6], например, установлено, что при изменении расхода газа на 30—35% соот­ ветствующим изменением угла си при сохранении постоянными давления и температуры перед турбиной ее к. п. д. изменялся на 2—3%.

Конструктивное выполнение регулируемых сопловых аппара­ тов осевых турбин весьма разнообразно. В известной конструк­ ции осевой турбины торгового судна «Джон Сержант» поворот­ ные сопловые лопатки вращаются при помощи изготовленных как одно целое с лопатками стержней, на которых расположены кривошипы. В конструкции, приведенной на рис. 144, для пре-

213

дот вращения влияния тепловых деформаций деталей проточной части на механизм поворота лопаток оси их размещают во втул­ ках, расположенных одновременно в экранирующем ободе и корпусе. Уменьшение утечек обеспечивается тем, что поворотные лопатки в местах перехода к стержню снабжают буртами, ко­ торые утоплены в соответствующих выточках корпуса. Синхрон­ ный поворот лопаток осуществляется рычагами, соединенными с поворотным диском, установленным на подшипниках качения,

1 — корпус; 2 — экранирующий обод; 3 — внутренний обод; 4 — поворотный диск; 5 — шарико-

подшипник; 6 — ось эксцентрика; 7 — стойка; 8 — штрифт радиальный; 9 — торцовые бурты на лопатках; 10 — сопловые лопатки; 11 — направляющие втулки; 12 — рычаг; 13 — корпус шарнира; 14 — рычаг поворота диска; 15 — ролик

При повороте лопаток соплового аппарата осевых турбин ци­ линдрические ограничительные поверхности проточной части турбины не позволяют осуществить поворот лопаток без образо­ вания больших зазоров у их торцов. Во избежание этих зазоров ограничительные поверхности проточной части и торцы поворот­ ных лопаток выполняют сферическими, а лопатки делают как одно целое с торцовыми упорными дисками.

В ЦСТ сопловой аппарат с поворотными лопатками осущест­ вить проще, чем в осевой турбине, так как поверхности, ограни­ чивающие канал, являются плоскими. Характеристики одной из регулируемых ЦСТ приведены на рис. 145. Эта турбина имеет сравнительно пологую зависимость цт= /(ыі/сад). Пропускная способность ее при изменении угла со в диапазоне 7—49° изме­ нялась более чем в 2,5 раза.

большому количеству выданных патентов. В США запатентован механизм поворота сопловых лопаток, который не искажает

214

форму проточной части межлопаточных каналов. Этот механизм состоит из поворотного диска с профильными канавками, в ко­ торых движутся «башмаки», закрепленные на осях поворотных лопаток. Известна конструкция ТК с регулируемой ЦСТ, кото­ рая применялась для наддува тепловозного двигателя фирмы Дженерал Моторе.

Конструкция соплового аппарата с групповым приводом по­ воротных лопаток показана на рис. 146. Лопатки 1 расположены по четыре на сегментах 5. При помощи обода 2 и рычага 3 сег­

воздействия высоких температур механизм поворота, состоящий из рычагов, поворотного диска и шарикоподшипников. Механизм поворота лопаток с подшипниками качения оказался надежным н работоспособным. Недостатком конструкции является большое коробление экрана из жаропрочной стали (до 1 мм и больше за

500ч работы).

Вдругом варианте (рис. 147, б) сопловой аппарат выполнен без экрана. Корпус изготовлен из чугуна, имеет водяное охлаж­ дение. Коробление корпуса за тот же срок работы уменьшилось до 0,1 мм, что увеличило надежность конструкции.

Регулирование ЦСТ с безлопаточными сопловыми аппарата­ ми возможно перемещением профилированной перегородки в по­ лости газоприемного патрубка. При этом изменяется сечение проточной части патрубка. Уменьшение его площади при посто­ янном значении степени понижения давления уменьшает сте­

пень реактивности, угол со и расход газр. Как показали иссле­ дования [27], при уменьшении таким способом расхода в 1,64 ра­ за к. п. д. турбины уменьшился от 0,71 до 0,64.

215

На рис. 141 показана схема проточной части эксперимен­ тальной центростремительной турбины турбокомпрессора типа ТКР-40 с поворотными сопловыми лопатками. Основные разме­ ры этой турбины были выбраны исходя из требований обеспече-

Рис. 146. Сопловой аппарат центростремительной турбины с групповым при­ водом поворотных лопаток:

а — продольный разрез; б — максимальное раскрытие лопаток; в — минимальное рас­ крытие лопаток; 1 — сопловая лопатка; 2 — синхронизирующий обод; 3 — рычаг; 4 — стержень; 5 — пластинчатый сегмент

на выходе D2= 280 мм и D2 = 140 мм. Номинальная высота соп-

Рис. 147. Конструкция сопловых аппаратов с поворотными лопат­ ками

ловых лопаток /і = 20 мм. Сопловые лопатки турбины поворачиваются синхронно, обеспечивая изменение угла выхода потока в пределах со = 7 50°. Ниже приведены результаты некоторых, экспериментальных исследований этой турбины.

216

Как указывалось выше, для вращения поворотных лопаток соплового аппарата необходим зазор между торцами этих лопа­ ток и ограничивающими сопловой канал стенками. Из-за нерав­ номерного нагрева стенки соплового канала коробятся [29]. Вследствие этого возрастает требуемая для свободного враще­ ния лопаток величина торцового зазора. Величина этого зазора может достигать 6—8% высоты канала, что является причиной снижения к. п. д. турбины, повышения теплонапряженности и снижения экономичности двигателя.

Рис. 148. Сопловые аппараты с поворотными на­ правляющими лопатками:

а — с открытым торцовым зазором; б —с полузакры­ тым торцовым зазором; 1 — сопловая лопатка; 2 — по­ воротная ось; 3, 4 — стенки соплового канала; 5 — нажимное устройство; 6 — цилиндрический хвостовик

Исследования влияния торцового зазора проводились с соп­ ловым аппаратом двух вариантов: с закрытым (рис. 148, а) и полузакрытым (рис. 148, б) торцовым зазором. В сопловом ап­ парате первого варианта поворотная сопловая лопатка 1 имела плоские торцы. Торцовый зазор 6і имел открытую часть, равную хорде профиля Ь. В сопловом аппарате второго варианта пово­ ротная лопатка 1 имела один плоский торец, который нажимным устройством 5 прижимался к стенке 3 соплового канала. Другой торец лопатки был соединен с цилиндрическим хвостовиком 6, утопленным в цилиндрической расточке стенки 4 канала. Откры­ тая часть торцового зазора составляла часть хорды профиля (вследствие «свеса» части лопатки с цилиндрического хвостови­

ка) и была равна у выходной кромки ——= 10% и у входной

217

кромки ь = 22%. Торцовый зазор А между хвостовиком сопло-

вой лопатки и дном цилиндрической расточки в стенке сохра­ нялся постоянным. Величина его составляла приблизительно 9% высоты соплового канала, т. е. была выбрана с расчетом на ра­ боту в условиях значительного коробления стенок, ограничиваю­ щих сопловой канал. При испытаниях поворотные лопатки на­ жимным устройством 5 фиксировались относительно соплового

канала в определенном положении. Зазор 6і изме­ нялся шлифовкой лопа­ ток. Величина его измеря­ лась линейным индикато­ ром. Угол выхода потока из соплового аппарата оп­ ределялся теоретически.

Зависимости к. п. д. турбины т]т, приведен-

к. п. д. турбины. При этом наибольшее снижение к. п. д. имеет место при малых си, несколько меньшее — при больших си. Это можно объяснить тем, что с уменьшением угла си снижается ре­ активность турбинной ступени, увеличивается доля теплоперепа­ да, срабатываемого в сопловом аппарате. Вследствие этого воз­ растают перетекания газа через торцовый зазор. Относительное

изменение к. п. д.д-урбины в зависимости от торцового зазора 6і при различных углах си приведено на рис. 150. Здесь по оси ор-

218

дішат отложен относительный к. п. д. цт, представляющий собой

Для отношения Ні/сад = 0,6 д- 0,7, которое является наиболее характерным для ЦСТ комбинированных транспортных двигате­

лей, при угле си = 12° увеличение торцового зазора 6і на 1% снижает к. п. д. турбины приблизительно на 2,5—2,7%; при тех

= 48° — на 1,2—1,4%. Аналогичные результаты получены и для других значений степени понижения давления в турбине.

Турбина с полузакрытым торцовым зазором в сопловом аппа­ рате оказалась менее чувствительной к его изменению. Уменьше­ ние длины открытого торцового зазора благоприятно сказалось на ее характеристиках. Так, если с открытым торцовым зазором

в сопловом аппарате при сц = 27°45' увеличение зазора öi от 0 до 8 % снижает к. п. д. турбины до т]т = 0,765, то с полузакры­

тым — лишь до г)Т = 0,96. Влияние торцового зазора на к. п. д. турбины резко уменьшилось.

Положение торцового зазора может быть произвольным или фиксированным относительно образующих сопловой канал сте­ нок. В осевой турбине он может быть расположен либо в корне­ вой, либо в периферийной части. В ЦСТ он может совпадать с передним осевым зазором у рабочего колеса или не совпадать. При одинаковой величине зазор у корневой части лопаток сни­ жает к. п. д. осевой турбины больше, чем такой же зазор у пе­ риферийной. Влияние же положения зазора в сопловом аппарате ЦСТ не исследовано. Поэтому из-за отсутствия обоснованных рекомендаций положение зазора в сопловом аппарате при проек­ тировании обычно не учитывается.

Для исследования было использовано устройство, при помо­ щи которого поворотные лопатки устанавливались относительно соплового канала в строго определенное положение. Торцовый зазор 'öi в сопловом аппарате или совпадал с передним зазором Д у колеса турбины (см. рис. 141), или лопатки прижимались к противоположной стенке соплового канала, и торцовый зазор в сопловом аппарате не совпадал с передним зазором Д у колеса турбины. Из графика рис. 151 видно, что наблюдается вполне определенная зависимость к. п. д. турбины от положения торцо­

вого зазора öi в сопловом канале. Разница в значениях к. п. д. при различных положениях торцового зазора в сопловом аппара­ те составляет 1—5%.

Регулирование с помощью перепуска газа характеризуется тем, что часть отработавших газов двигателя направляется по

219

каналу мимо турбины. Проходное сечение соплового аппарата, а также рабочего колеса турбины выполняют соответствующим режиму максимального крутящего момента. Вследствие этого

размеры рабочего колеса, а также момент инерции ротора умень­ шаются. Улучшается приемистость двигателя. Полное количе-

Рис. 152. Схема обводного регулирования турбокомпрессоров:

ство газов поступает в турбину до тех пор, пока давление надду­ ва не достигнет максимальной величины. После этого часть га­ зов перепускается мимо турбины, вследствие чего ограничивается частота вращения ротора и давление наддува.

220