книги из ГПНТБ / Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания

( проходным сечением ее соплового аппарата, должна на рабочих I режимах двигателя обеспечивать прохождение выпускных газов I и получение необходимой мощности турбины при возможно низ- s ком противодавлении на выпуске из двигателя. В случае им­ пульсной турбины важно наиболее полное использование энергии

20

импульса выпускных газов, так как газы при этом обладают наибольшим запасом энергии. Однако импульс давления, под­ ходя к турбине, не полностью проходит в нее, а частично отра­ жается; причем интенсивность отражения зависит не только от соотношения проходных сечений трубопровода, подводящего га­ зы, и соплового аппарата турбины, но также и от амплитуды подходящей волны.

Одним из важных требований к турбине является быстрое изменение ее работы при изменении режима работы двигателя. Это относится к режимам с резким изменением нагрузки.

Охладитель должен обеспечивать охлаждение воздуха до не­ обходимой температуры при минимальной потере его давления и минимальных затратах мощности на циркуляцию охлаждаю­ щего агента.

Кроме специальных требований к агрегатам воздухоснабжения, к ним предъявляются также ряд общих требований, выте­ кающих из общего направления технического прогресса в маши­ ностроении. Эти требования можно сформулировать следующим образом:

высокая эксплуатационная надежность и простота конструк­ ции при долговечности, определяемой назначением комбиниро­ ванного двигателя;

улучшение технико-экономических показателей агрегатов по сравнению с аналогичными показателями серийно выпускаемых агрегатов;

технологичность конструкции; доступность для наблюдения и осмотра; минимальный уровень шума.

Удовлетворение перечисленных выше требований зависит также от правильного выбора расчетного режима. Например, заданное протекание скоростной характеристики транспортного комбинированного двигателя может быть обеспечено соответст­ вующим подбором параметров поршневой части (ее гидравличе­ ской характеристики, условий смесеобразования и т. д.), харак­ теристик топливоподающей аппаратуры и агрегатов системы воздухоснабжения. Практика показывает, что для обеспечения высоких эксплуатационных показателей при подборе параметров и характеристик составных элементов этого двигателя нельзя отдавать предпочтение обеспечению высоких показателей по удельной мощности и экономичности при номинальной частоте вращения. Более важно иметь высокий коэффициент приспособ­ ляемости и высокую топливную экономичность на наиболее веро­ ятных эксплуатационных режимах двигателя.

Вследствие этого, например, для комбинированного двигателя промышленного маневрового тепловоза в качестве основного расчетного режима агрегатов системы воздухоснабжения не может быть выбран режим номинальной мощности (на котором двигатель работает менее 1% времени).

21

ЗНАЧЕНИЕ КОМПРЕССОРА В СИСТЕМЕ ВОЗДУХОСНАБЖЕНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО ДВИГАТЕЛЯ

В системе воздухоснабжения комбинированного двигателя компрессор подает сжатый воздух в цилиндры в требуемом ко- ^ личестве и нужных параметров.

Выше указывалось, что из лопаточных компрессоров на ком­ бинированных двигателях нашли преимущественное применение центробежные компрессоры, отличающиеся малыми габаритны­ ми размерами и массой, высокой напорностью и экономичностью. Они позволяют в одной ступени с к. п. д. порядка 0,75—0,80 [43] обеспечить повышение давления в 4—4,5 раза. Известны экспе­ риментальные центробежные компрессоры со степенью повыше­ ния давления л*к = 7,0 и выше.

В системах воздухоснабжения двигателей, особенно высоко­ форсированных, наибольшее распространение получили центро­ бежные компрессоры с полуоткрытыми рабочими колесами осе­ радиального типа. Схема проточной части компрессора, основ­ ные характерные размеры, расчетные сечения и треугольники скоростей во входном и выходном сечениях колеса приведены на рис. 11.

В качестве основных параметров, характеризующих работу центробежной ступени, обычно принимают степень повышения полного давления в ступени л*к и массовый расход воздуха G„ кг/с. Эффективность ступени обычно оценивается изоэнтропическим (адиабатическим) к. п. д., подсчитываемым по полным па­ раметрам воздуха на входе и выходе:

( 1)

Выражение (1) удобно для расчетов систем воздухоснабже­ ния комбинированных двигателей и при анализе влияния потерь в отдельных элементах ступени.

Действительно,

23

к. п. д. ступени при условии пренебрежения теплообменом с ок-

к\

ружающей средой при движении воздуха в неподвижных эле­ ментах компрессора имеет вид

в ступени (при сравнении различных ступеней между собой) ис­ пользуют политропический к. п. д. процесса сжатия

где п — средний в процессе сжатия показатель политропы, опре­ деляемый из выражения

п —•1

24

где Як ■—• степень повышения статического давления в ком-

Ро

прессоре.

Расчеты показывают, что разница между адиабатическим и политропическим к. п. д. увеличивается с увеличением як-

Кроме адиабатического и политропического к. п. д., для оцен­ ки напорных качеств компрессора применяют коэффициент на­ пора (гидравлический к. п. д.), представляющий собой отноше­ ние адиабатической работы сжатия

H U K = - ^ - T RTO ( я*“ - 1 k— 1

к квадрату окружной скорости и2 на наружном диаметре колеса:

Коэффициент напора характеризует эффективность использо­ вания окружной скорости колеса для создания адиабатической работы сжатия. Для полуоткрытых осерадиальных колес турбо­ компрессоров он изменяется в весьма узких пределах (0,68—- 0,72). Поэтому им удобно пользоваться при выборе окружной скорости колеса при проектировании компрессора.

ВХОДНЫЕ ПАТРУБКИ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРОВ

Входные патрубки предназначены для подвода воздуха к ко­ лесу компрессора с наименьшими потерями энергии. Обеспече­ ние равномерного поля скоростей во входном сечении колеса является основным условием для получения высокого к. п. д. колеса. Конструктивно входные патрубки часто объединяются с шумоглушителем или воздушным фильтром.

Из всего многообразия конфигураций применяемых воздухо­ подводящих патрубков можно выделить три основных типа: осе­ вой, радиально-круговой и коленообразный (рис. 12). Патрубки осевого типа применяют на турбокомпрессорах с консольным расположением колеса, что позволяет уменьшить диаметр ступи­ цы колеса D0 и тем самым наружный диаметр колеса D2 и габа­ ритные размеры ступени. Патрубки радиально-кругового типа используют и в конструкциях с наружным расположением под­

25

шипника. Коленообразные патрубки применяют при ограни­ ченных осевых габаритах компрессора. Патрубки этого типа ис­ пользуют в компрессорах, когда по условиям компоновки возду­ хоподводящей системы силовой установки необходимо осущест­ вить односторонний (реже двусторонний) боковой подвод воздуха к компрессору. Во входном патрубке компрессора иног­ да выполняют канал для отсоса картерных газов двигателя.

С целью обеспечения равномерного поля скоростей во вход­ ном сечении колеса (сечение I — /н а рис. 11) и снижения потерь энергии в патрубках им придают форму конфузоров, обеспечи­ вающих непрерывное ускорение потока вдоль оси патрубка.

Рис. 12. Схемы входных патрубков компрессоров:

а— осевого; б — радиально-кругового; в — коленообразного (углового)

Вколенообразных патрубках ускорение потока воздуха создают в основном в его осевой части, сохраняя минимальную скорость в месте поворота от радиального направления к осевому. Для обеспечения устойчивого ускоренного движения воздуха в па­ трубке на всех режимах работы компрессора отношение между

площадями входного и выходного сечений патрубка F0/F\ =

=1,5 -f- 2,5 для осевого и коленообразного патрубка н F0/Fi =

=2,0 — 3,5 для радиально-кругового. Скорость воздуха во вход­ ном сечении патрубка не превышает 30—40 м/с.

Потери энергии в воздухоподводящем патрубке компрессора оценивают коэффициентом потерь £вх, представляющим собой отношение работы, затрачиваемой на преодоление потерь в па­ трубке, к кинетической энергии воздуха в его входном или вы­ ходном сечениях:

26

Для оценки потерь также используют коэффициент восста­ новления полного давления в патрубке

Рз

где р*в и р \ — соответственнб'полное давление во входном и вы­ ходном сечениях патрубка (сечения 0—О и / —/ на рис. 11).

При пренебрежении сжимаемостью протекающего вдоль па­ трубка воздуха [3]

Рис. И. Зависимости 0Вх = f(k і):

1 — расчетные кривые по формуле (11)

Потери в патрубках определяют при их продувке или совме­ стно с компрессором, или на отдельном стенде. Величина £вх для компрессоров рассматриваемого типа практически не зависит от скорости воздуха в патрубке, что указывает на автомодельность по числу Рейнольдса.

Характер течения в патрубке существенно влияет на распре­ деление скоростей перед колесом, особенно при высоких значе­ ниях приведенной скорости Д.

Как показывают эксперименты, в осевых патрубках осевая скорость практически одинакова как по длине радиуса, так и в окружном направлении.

Результаты испытаний коленообразного патрубка и распре­ деление скоростей вдоль радиуса этого патрубка приведены на рис. 13. Как видно, скорость воздуха практически равномерна по радиусу. В то же время результаты измерения полного и ста­ тического давления подтверждают существование неравномерно­ сти статического давления и осевой скорости потока в окружном направлении.

28

(3). Кроме того, при неравномерном потоке на входе в колесо возможно уменьшение к. п. д. ті*д2-

На рис. 15 приведены характеристики компрессора ТК-34 с осевым входным патрубком и шумоглушителями двух типов.

тельно на 2% и к. п. д. ступени на 2—3%. В связи с отмеченным целе­

скорость, которая может быть принята постоянной вдоль патруб­ ка, если пренебречь теплообменом с окружающей средой при движении воздуха от входного сечения патрубка к выходному. В этом случае температура торможения вдоль патрубка неиз­ менна (Г* = Г‘) и, следовательно,

29