Энергетический баланс турбокомпрессора

 

При газотурбинном наддуве возможны два основных способа использования энергии.

В первом способе энергия, потребляемая компрессором, равна энергии, вырабатываемой турбиной. В этом случае турбокомпрессор представляет собой автономный агрегат, связанный с двигателем только газовой связью. Такая схема обеспечивает высокие экономические показатели при максимальном упрощении конструкции и поэтому является наиболее распространённой.

При использовании второго способа энергия, вырабатываемая турбиной, не равна энергии, потребляемой компрессором. Небаланс энергии передаётся от двигателя к турбокомпрессору (или наоборот) за счёт применения механической связи ротора турбокомпрессора с коленчатым валом двигателя, что усложняет конструкцию последнего. Эта схема применяется при наддуве двухтактных двигателей в тех случаях, когда не удаётся обеспечить баланс энергии турбины и компрессора, не ухудшая существенно продувку и наполнение цилиндра. Эта схема также применяется в тех случаях, когда необходимо передать избыточную энергию от турбины к двигателю при высоких давлениях наддува и высоких температурах газов перед турбиной. Механическая связь может быть использована для обеспечения высокой приемистости за счёт передачи кинетической энергии ротора турбокомпрессора к валу двигателя на переходных режимах.

Полная располагаемая энергия выпускных газов двигателя складывается из энергии Е ₂ – расширение газов от давления в цилиндре р _в до давления газов перед турбиной р _т (площадь bca, рис. 1) и энергии расширения газов в турбине Е ₂ от давления р _т до давления р _о (площадь e ¢ f ¢ g e ¢). Применяют два способа использования энергии выпускных газов двигателя: работа турбин на газах постоянного давления (р _т = const) и работа на газах переменного давления (р _т =var).

 

Рисунок 1 – Располагаемая энергия выпускных газов дизеля

При работе турбины по первому способу (р _т = const) выпускные газы из всех цилиндров двигателя поступают в один общий выпускной коллектор, откуда идут в газовую турбину, которая обычно устанавливается в конце выпускного коллектора. Вследствие значительной длины и объёма выпускного тракта и большого сопротивления потоку выпускных газов, большая часть кинетической энергии Е ₁ теряется. Превращение кинетической энергии газов, вызванное указанными причинами, в тепловую, сопровождается повышением температуры газов перед турбиной, и поэтому их объём увеличивается, как это показано на рис. 1, на величину D V (от точки e до точки е ¢).

При работе турбины на газах переменного давления (р _т= var) выпускная система разбивается на несколько ветвей по возможности малой длины и объёма. Газы по этим ветвям подводятся к одной или нескольким турбинам, расположенным в непосредственной близости к цилиндрам, на газах которых они работают. При такой системе выпуска удаётся использовать не только энергию газов постоянного давления Е ₂, но и значительную часть энергии Е ₁. Турбины, работающие на газах переменного давления, называется «импульсными», так как они используют волны давления (импульсы), возникающие в выпускном тракте.

Для количественной оценки срабатываемой энергии в турбине переменного давления применяют коэффициент

.

Зависимость К _Е от давления р _к при использовании 50% энергии Е ₁ при температуре газов перед турбиной t _Т = 350° показана на рис. 2. Приведённая зависимость показывает, что использование волн давления имеет существенное значение только при малых давлениях наддува (до р _к = 0,15 МПа).

Е2

Рисунок 2 – Зависимость коэффициента срабатываемой энергии

в турбине от давления наддувочного воздуха

 

Таким образом, можно сделать вывод, что при высоких степенях наддува в целях упрощения системы выпуска целесообразно применять способ работы турбины при р _т = const. При малых степенях наддува и при наличии возможности группировать выпуск по цилиндрам для каждой турбины целесообразнее применять способ работы с использованием энергии волн давления.

Для обеспечения более равномерного потока газов в интервале выпуска в один трубопровод меньше 240° п.к.в. четырёхтактных дизелей применяется преобразователь импульсов.

Меньшая продолжительность процессов выпусков и продувки в двухтактных двигателях, отсутствие «насосных ходов» создают определённые трудности применения газотурбинного наддува, т.е. наддува, создаваемого только «свободновращающимся» газотурбонагнетателем. К таким трудностям относится обеспечение работы двигателя на малых оборотах, т.е. на долевых нагрузках продувочно-наддувочным воздухом, так как выхлопные газы, смешиваясь с воздухом, обладают минимальной энергией.

Короткий выпускной тракт, постановка газовой турбины в непосредственной близости к цилиндру и эффективное использование кинетической энергии выпускных газов позволили создать судовые двухтактные дизели с газотурбинным наддувом, с умеренной степенью наддува 1,3÷1,5 и имеющие прямоточно-клапанную продувку.

 

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ТУРБОКОМПРЕССОРУ,

ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ДВИГАТЕЛЕМ

Существующие двигатели можно условно разбить на три основные группы:

1) работающие по винтовой характеристике;

2) работающие по нагрузочной характеристике;

3) работающие во всей области нагрузок и частот вращения;

В зависимости от назначения двигателя, требования, которым должен удовлетворять турбокомпрессор, оказываются различными.

Получение высокого КПД турбокомпрессора всегда является желательным, однако это иногда ведёт к удорожанию двигателя или к увеличению габаритных размеров агрегата наддува. В таком случае необходимо знать нижний предел КПД турбокомпрессора, при котором возможна удовлетворительная работа двигателя с наддувом. Поскольку влияние КПД турбокомпрессора на расход топлива (особенно при умеренных давлениях наддува) незначительно, минимальное значение КПД следует принять, исходя из обеспечения удовлетворительного наполнения цилиндра.

Для четырёхтактных дизелей это будет такое значение КПД турбокомпрессора (h _тк), при котором возможна продувка камеры сгорания. Для двухтактных дизелей значение h _тк определяется допустимостью работы без дополнительных продувочных средств. Значение КПД, отвечающее поставленным требованиям, зависит от организации продувочно-выпускного тракта, температуры газов, сопротивления на выходе из турбины, разряжения на входе в компрессор и давление наддува. Наиболее нетребовательным к КПД турбокомпрессора является четырёхтактный дизель с разделённым выпускным трубопроводом.

Требования, предъявляемые к компрессору, определяются назначением двигателя. На рис.3 представлены характеристики режимов работы судового, стационарного, транспортного и идеального транспортного двигателей в широком диапазоне частот вращения.

Для судового и стационарного дизелей осуществление наддува не вызывает особых затруднений, так как повышение крутящего момента, а, следовательно, и повышение среднего эффективного давления требуется в очень небольшой зоне частот вращения и мощностей. Значительно сложнее обстоит дело с транспортным двигателем, которому необходимо иметь высокий крутящий момент в широком диапазоне частот вращения.

Рисунок 3 – Зависимость относительной мощности  и относительного

крутящего момента  от относительной частоты вращения :

1 – судовой двигатель; 2 – стационарный двигатель;

3 – транспортный двигатель; 4 – идеальный транспортный двигатель

 

Из существующих типов компрессоров наиболее полно требованиям дизеля удовлетворяют компрессоры объемного типа. Они могут подавать практически любое количество воздуха с любым давлением. Винтовой компрессор является одним из лучших объемных компрессоров. Он имеет КПД 80% на номинальном режиме. Некоторое падение КПД при снижении давления наддува для судового дизеля не имеет существенного значения. Винтовой компрессор в состоянии удовлетворить требованиям двигателя любого назначения. Однако винтовые компрессоры сложны в производстве и, что самое главное, эти компрессоры не удобны для спаривания с газовой турбиной, так как их частоты вращения существенно ниже частот вращения газовых турбин.

Наиболее дешевыми и удобными для работы с газовой турбиной является центробежный компрессор с безлопаточным диффузором. Этот компрессор обеспечивает работу двигателя по винтовой, внешней и нагрузочной характеристикам, причем во всех случаях удается обеспечить удовлетворительный КПД компрессора. При работе по характеристике идеального транспортного двигателя в зоне низких частот вращения, КПД компрессора несколько падает, но до  = 0,5 использование центробежного компрессора возможно, особенно если сместить его характеристики в сторону меньших расходов воздуха, несколько снизив КПД на номинальном режиме работы двигателя.

Некоторое усложнение компрессора имеет место при введении в его конструкцию лопаточного диффузора. Этот компрессор при степени повышения давления не более 2 удовлетворяет требованиям почти всех рассматриваемых дизелей.

Осевой компрессор для малых расходов воздуха обычно не применяется. Он удовлетворяет требованиям работы дизеля только по винтовой и нагрузочной характеристикам.

Основными показателями турбины являются КПД и пропускная способность. Правильно изготовленная и спроектированная турбина обычно имеет КПД не ниже 0,78, если по условиям компоновки не слишком загружены площади поперечного сечения подводящих и отводящих газ каналов. При этом высокий КПД имеет как осевая, так и радиально - осевая турбины.

Для турбокомпрессоров судовых дизелей и дизель-генераторов турбина должна обеспечивать высокий КПД только в расчетной точке при номинальной частоте вращения двигателя.

К дизель-генераторам предъявляется требования быстрого приема нагрузки после холостого хода, что обеспечивается быстрым разгоном ротора турбокомпрессора до номинальной частоты вращения. В связи с этим ротор турбокомпрессора должен иметь небольшой момент инерции. Это же требование предъявляется к турбокомпрессорам транспортных двигателей.

Для транспортных двигателей желательно также обеспечить удовлетворительное протекание кривой крутящего момента, причем максимум крутящего момента должен соответствовать  = 0,4÷0,6 номинальной частоты вращения. Такую кривую крутящего момента можно получить регулированием пропускной способности турбины. Введение регулирования более просто осуществляется в радиально-осевой турбине.