Виды газотурбинного наддува

Как было принято, в зависимости от способа использования теплоты отработавших в цилиндре газов, различают три способа наддува:

1. Импульсный.

2. Изобарный.

3. Смешанный (с переменным давлением газа перед турбиной).

В чистом виде первые два способа на практике не реализуются, так как в первом случае между цилиндром и турбиной должен отсутствовать объем канала, а во втором этот объем должен быть бесконечно большим.

К импульсному наддуву обычно относят наддув, при котором в турбине максимально используется кинетическая энергия газа, выходящего из цилиндра с большой скоростью. В этом случае необходимо обеспечить наикратчайший путь газов от клапана до колеса турбины и исключить взаимное влияние выпусков из соседних цилиндров. Это реализуется при числе цилиндров, подающих газ к турбине, не более трех и чередовании между импульсами не менее 240 градусов угла поворота коленчатого вала (240º п.к.в.). При импульсном наддуве энергия выпускных газов используется наиболее полно, так как малы потери ее на расширение при перетекании газа из цилиндра в трубопровод. Снижаются также потери теплоты в окружающую среду.

В многоцилиндровых двигателях, а также при неравномерном чередовании выпусков из трех и более цилиндров для сохранения импульсности подводимого к турбине газа могут использоваться:

- турбины с двумя и более каналами подвода газа к рабочему колесу (парциальный подвод газа);

- преобразователи импульсов, в которых импульсы давления преобразуются в кинетическую энергию потока газа;

- установка на двигатель двух и более турбокомпрессоров, что в первую очередь определяется требованиями к компоновке двигателя.

Импульсный наддув применяется на автотракторных двигателях при умеренном наддуве . Эффективность его существенно зависит от правильного согласования диаметра и длины выпускного трубопровода.

 Примеры схем подключения цилиндров к выпускному трубопроводу при импульсном наддуве приведены на рис. 5.5.

Схема выпускной системы двигателя Порядок работы цилиндров Коли-чество турбо-компрессоров Число подводов газа к турбине 1342 1     2 153624 1     2 153624 1     2 153624 2     1   Рис. 5.5. Схемы подключения цилиндров к выпускному трубопроводу при импульсном наддуве

   При увеличении числа цилиндров, выпускающих газы к одной турбине, колебания давления в трубопроводе уменьшаются и при числе цилиндров более восьми давление перед турбиной можно считать практически постоянным, что соответствует изобарному наддуву. Постоянного давления газа перед турбиной можно достичь также увеличением объема выпускного трубопровода (ресивера). Этот способ пригоден для двигателей с любым числом цилиндров. Однако при этом необходимо иметь в виду, что выпуск газов в трубопровод большого объема приводит к заметному уменьшению их работоспособности, увеличению габаритов и ухудшение приемистости двигателя.

       По этим причинам наддув с постоянным давлением газов  перед турбиной на автомобильных и тракторных двигателях с числом цилиндров меньше шести до последнего времени практически не применялся.

   В двигателях с числом цилиндров от 4 до 6 давление газа перед турбиной имеет колебательный характер. Такой наддув принято называть наддувом с переменным давлением газов перед турбиной. В зависимости от конструкции выпускной системы и числа цилиндров он может приближаться по характеру изменения давления газов перед турбиной к импульсному или изобарному.

 

5.5. Основные типы, показатели и ряды турбокомпрессоров

В зависимости от конструкции турбины различают следующие типы турбокомпрессоров (см. раздел 7):

• с осевой турбиной;

• с радиально-осевой (радиальной, центростремительной) турбиной;

• с диагональной турбиной.

В отечественном турбостроении приняты следующие обозначения:

- ТК - турбокомпрессор с осевой турбиной;

- ТКР – турбокомпрессор с радиально-осевой турбиной.

Турбокомпрессоры с диагонально-осевой турбиной отечественные заводы не производят.

Основными показателями, характеризующими турбокомпрессор, являются:

• степень повышения давления в компрессоре, ;

• расход воздуха (топливовоздушной смеси) через компрессор (кг/с, м³/с, м³/мин или м³/ч);

 • коэффициент , где КПД компрессора η_k, а турбины η_т;

• частота вращения ротора n_тк;

 • диаметр рабочего колеса компрессора на выходе D_k (D₂);

• тип турбины и др.

По величине степени повышения давления принято различать наддув:

• низкий (умеренный) ;

• средний ;

• высокий .

Наиболее полную информацию о пригодности турбокомпрессора для наддува конкретного двигателя предоставляют характеристики компрессора и турбины, которые будут рассмотрены в соответствующих разделах.

Турбокомпрессор представляет собой агрегат, который требует достаточно высокой технологии производства. Наибольшие сложности возникают при изготовлении ротора, подшипникового узла, уплотнений, профилировании лопаток рабочих колес, соплового аппарата, диффузора, а также балансировки ротора и т.д. Поэтому унификация деталей и узлов турбокомпрессора имеет первостепенное значение для повышения его показателей и рентабельности производства. Для осуществления наддува любого существующего двигателя в определенном диапазоне мощностей предусматривается определенный ряд турбокомпрессоров.

  Практикой установлено, что изменение на входе в компрессор наружного диаметра и относительной скорости воздуха позволяет при одинаковом наружном диаметре колеса на выходе обеспечить работу компрессора в диапазоне отношения расходов воздуха  с достаточно высоким КПД. При этом имеется возможность сохранить конструкцию корпусных деталей. Максимальному значению КПД компрессора в большинстве агрегатов наддува соответствует отношение расходов воздуха . Среднее значение этого отношения  принимается за основу построения ряда. Расход воздуха через компрессор при прочих равных условиях пропорционален квадрату наружного диаметра рабочего колеса. Для обеспечения перекрытия расходов воздуха соседними типоразмерами знаменатель прогрессии ряда турбокомпрессоров принимается равным . Следует отметить, что ряды турбокомпрессоров большинства зарубежных фирм имеют значения . В России приняты два унифицированных ряда турбокомпрессоров:

    • для наддува дизелей большой мощности и ресурсов работы с наружным расположением подшипников и осевой турбиной (ТК-18, ТК-23, ТК-30, ТК-34 и т. д.);

     • для наддува быстроходных дизелей и бензиновых двигателей с консольным расположением компрессора и радиально-осевой турбины (ТКР-5, ТКР-6, ТКР-7 и т.д.).

  На рис. 5.6 приведен пример построения типоразмерного ряда турбокомпрессоров типа ТКР по данным НПО «Турботехника», а в табл. 5.1 их основные технические параметры.

                                                                                                                   Таблица 5.1

                    Технические параметры турбокомпрессоров

Параметры	ТКР-5	ТКР-6	ТКР-7	ТКР-8	ТКР-9	ТКР-10	ТКР-8,5	ТКР-11
Степень повышения давления	2,1	2,2	2,4	2,6	2,7	2,8	1,8	1,85
Подача компрессора, , кг/с	0,04-0,12	0,06-0,16	0,12-0,24	0,20-0,36	0,25-0,40	0,30-0,45	0,08-0,15	0,18-0,25
КПД компрессора	0,72	0,72	0,72	0,73	0,74	0,75	0,71	0,70
КПД турбины	0,72	0,72	0,75	0,73	0,74	0,74	0,71	0,70
Температура газов перед турбиной,	950	950	950	950	970	970	973	970

** - допускаемая без ограничений по времени.

 

Рис.5.6. Ряды турбокомпрессоров фирмы «Турботехника»

 

    Каждый типоразмер ТК и ТКР должны допускать настройку компрессора на требуемый режим работы двигателя во всем диапазоне расходов воздуха и давлений наддува. Основное количество деталей типоразмера унифицировано. Модификации ТКР получают за счет различного сочетания деталей, изготавливаемых из базовых заготовок. Для двигателей массового производства могут применяться турбокомпрессора со специальными корпусами, обеспечивающими уменьшение габаритов турбопоршневых двигателей.

 

5.6. Требования к турбокомпрессорам

   Мощностные, экономические и экологические показатели турбопоршневого двигателя в большой степени зависят от согласованной работы собственно двигателя и агрегата наддува. Это относится не только к номинальному режиму, но и к изменению показателей в зависимости от частоты вращения коленчатого вала или нагрузки двигателя. Большое значение имеют также пусковые качества, приемистость, возможность работы на холостом ходу и на режимах малой нагрузки, обеспечение требуемых условий протекания рабочего процесса на неустановившихся и переходных режимах. Все это предъявляет специфические требования, как к агрегату наддува, так и к поршневому двигателю. Агрегат наддува должен обеспечивать:

   • максимально возможное использование в турбине энергии выпускных газов;

  • подачу компрессором такого количества воздуха и с такими параметрами (), которые на всех режимах работы соответствовали бы количеству и параметрам воздуха, необходимого для получения требуемой мощности при наилучшей экономичности и наименьшем количестве выбросов вредных веществ;

  • работу при допустимой напряженности: механической и тепловой;

  • необходимую закономерность изменения показателей двигателя в зависимости от режима его работы;

  • отсутствие режимов неустойчивой работы компрессора (помпажа);

  • наиболее высокие значения КПД компрессора и турбины, соответствующие заданному режиму работы турбопоршневого двигателя;

   • необходимую приемистость и устойчивую работу ДВС на переходных режимах.

   Существенное значение имеют динамические качества, надежность и срок эксплуатации турбокомпрессора с учетом стоимости его изготовления.

   Особенно жесткие требования к агрегатам наддува предъявляются на легковых автомобилях. Нагнетатель (турбокомпрессор) должен обеспечивать достаточно высокое давление начиная с низких частот вращения коленчатого вала, без задержки срабатывать в условиях быстро меняющейся нагрузки и частоты вращения. Именно этот фактор обычно входит в противоречие с характером работы турбокомпрессора и двигателя. Однако благодаря современным технологиям и постоянно развивающимся «ноу хау» производители агрегатов наддува сумели до минимума свести влияние эффекта провала крутящего момента при быстром переводе управления на увеличение мощности двигателя (так называемый эффект «турбоямы»). Это достигнуто за счет широкого внедрения средств электронного управления турбопоршневым двигателем.

Фирмы считают, что в настоящее время сложность двигателей без наддува и с наддувом может быть практически одинаковой.

Следует отметить также ряд других, не мало важных задач, которые необходимо решать при применении турбонаддува. Усложняется организация вентиляции картера, так как в бензиновых двигателях направлять картерные газы во впускную систему мешает давление наддува. Затрудняется применение рециркуляции газов. Увеличивается противодавление на выпуске продуктов сгорания из цилиндра, что приводит к росту насосных потерь. Дроссельные заслонки в бензиновых двигателях приходится ставить после компрессора.

 

         6. ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ КОМПРЕССОРЫ

В турбопоршневом двигателе компрессор должен подавать сжатый воздух в цилиндры в требуемом количестве и с нужными параметрами.

В турбокомпрессорах нашли преимущественное применение центробежные компрессоры (ЦК), отличающиеся меньшими размерами и высокой напорностью по сравнению с осевыми. Они позволяют в одной ступени с КПД порядка 0,70…0,75 обеспечить повышение давления в 4…4,5 раза. Известны экспериментальные образцы центробежных компрессоров, в которых при наружном диаметре рабочего колеса более 400 мм можно получить степень повышения давления до .

Принцип действия центробежного компрессора. Основные понятия

    и параметры

Схема центробежного компрессора приведена на рис. 6.1. Его основными элементами (по сечениям) являются: входной патрубок а -1, рабочее колесо 1-2; безлопаточный диффузор 2-3; лопаточный диффузор 3-4; улитка 4-5. Рабочее колесо (крыльчатка) может представлять собой диск, на котором расположены лопатки, образующие со стенкой неподвижного корпуса и диском каналы, по которым движется воздух.

 

6.1. Схема центробежного компрессора и планы скоростей.

Характерными размерами компрессора являются:

•  - наружный диаметр на входе в рабочее колесо;

 •  - диаметр втулки;

•   - средний диаметр на входе в рабочее колесо;

•  - наружный диаметр рабочего колеса;

•  - наружный диаметр безлопаточного диффузора (внутренний лопаточного);

•  - наружный диаметр лопаточного диффузора.

В проточной части компрессора различают следующие скорости:

а) на входе в рабочее колесо на среднем диаметре:

 - окружная скорость;  - относительная;  - абсолютная;

- проекция  на ось колеса (осевая составляющая);

 - меридиональная скорость; это проекция c_1а на касательную к средней линии сечения межлопаточного канала; при разработке конструкции компрессора предварительно принимают c_1m»c_1a»c₁.

б) c корости на выходе из рабочего колеса:

 - окружная;  - относительная;  - абсолютная.

Проекции абсолютной скорости:

-  - на направление окружной скорости (окружная составляющая);

-  - на радиус рабочего колеса (радиальная составляющая).

Скорости движения воздуха в диффузорах и улитке имеют индексы соответствующего сечения (см. рис. 6.1).

При вращении рабочего колеса воздух в каналах под действием центробежной силы перемещается по направлению к диффузору. При этом ему сообщается кинетическая энергия, которая затем постепенно преобразуется в потенциальную энергию давления. Окружная скорость на наружном диаметре колеса не должна превышать значения  = 550 м/с (число , где  - местная скорость звука). Дальнейшее увеличение ее приводит к скоростям близким к скорости звука, при которых к проточным частям компрессора предъявляются специфические требования. Кроме того, скорость  ограничивается прочностью рабочего колеса, изготавливаемого из штампованного алюминиевого или магниевого сплава.

Диффузор – это кольцевая полость (с лопатками и без них) между стенками неподвижного корпуса. В диффузоре скорость воздуха уменьшается вследствие увеличения проходных сечений, в результате чего давление повышается. Дальнейшее повышение давления осуществляется в улитке, значение которого зависит от скорости на выходе из нее.