Целесообразность применения регулируемого наддува

Рассмотренные зависимости показывают эффективность применения регулируемого наддува, особенно для двигателей работающих в широком скоростном и нагрузочном режимах.

Однако регулируемый наддув усложняет конструкцию, увеличивает цену, требует специального обслуживания, снижает надежность двигателя. Поэтому необходимость регулируемого наддува в каждом конкретном случае определяется путем сопоставления технико-экономических показателей. Следует использовать все пути улучшения показателей двигателя без применения регулируемого наддува.

Это правильный выбор газовоздушного тракта, регулировка топливоподающей аппаратуры, настройка турбокомпрессора на режимы малых и средних скоростных режимов. Если это не дает необходимого эффекта, то применяют регулируемый наддув.

Желательно применение регулируемого наддува для транспортных двигателей с высокой степенью наддува (для большегрузных автомобилей мощностью больше 700 кВт). Для обычных автомобильных и тракторных двигателей с невысокой степенью наддува регулирование, как правило, не используют. Кроме того, регулирование применяют в двигателях, работающих при значительных изменениях температуры окружающей среды и давления.

Способы регулирования компрессоров и турбин

Для регулирования компрессоров и турбин могут использоваться следующие способы.

1. Дросселирование воздуха на входе в компрессор или на выходе из него.

2. Изменение угла входа потока воздуха на входе в компрессор (поворотными лопатками).

3. Поворот лопаток лопаточного диффузора.

4. Одновременное применение способов 2 и 3.

5. Перепуск воздуха из нагнетательного патрубка во всасывающий, в турбину или в атмосферу.

6. Дросселирование газа на входе в турбину или на выходе из нее.

7. Изменение высоты соплового аппарата турбины.

8. Применение регулируемого соплового аппарата.

9. Перепуск части выпускных газов в атмосферу.

10. Одновременное регулирование турбины и компрессора.

11. Изменение частоты вращения вала компрессора или турбокомпрессора дифференциальной передачей.

 

 

Регулирование компрессора

Регулирование компрессора дросселированием воздуха

Дроссельное регулирование основано на уменьшении количества всасываемого воздуха созданием искусственного сопротивления на всасывании или нагнетании компрессора.

Дросселирование воздуха используют для ограничения давления наддува при работе двигателя в области номинальной частоты вращения.

При переходе двигателя с режима М _max (точка А) (рис. 8.4) на номинальный (точка В) увеличивается частота вращения ротора турбокомпрессора и давление наддува. Путем дросселирования снижают давление наддува и, соответственно, давление перед турбиной. Вследствие этого частота вращения вала турбокомпрессора снижается, и он переходит на новый режим работы (точка С), характеризующийся меньшей степенью повышения давления, температурой выпускных газов, расходом газа и меньшей напряженностью работы двигателя.

Рис. 8.4. Режимы работы компрессора при дросселировании воздуха
в компрессоре

Дросселирование на выходе из компрессора оказывает большее влияние на режим работы, но дросселирование на входе в компрессор позволяет сместить границу помпажа в сторону меньших расходов и, тем самым, расширить диапазон работы компрессора. Дросселирование снижает КПД компрессора и применяется в двигателях с невысоким коэффициентом приспособляемости.

Дросселирование компрессора одновременно на входе и выходе применялось в двигателях гоночных автомобилей для улучшения динамических качеств автомобиля. При сбросе нагрузки закрывались дроссельные заслонки до и после компрессора, что приводило к меньшему снижению частоты вращения вала турбокомпрессора.

Изменение угла входа потока воздуха на лопатки компрессора

Изменение угла входа потока воздуха осуществляют установкой поворотных лопаток во входном устройстве компрессора (рис. 8.5).

Рис. 8.5. Регулирование компрессора изменением угла входа потока воздуха:

а – схема регулирования; б – зависимость влияния угла входа a на степень
повышения давления

Поворот лопаток во входном устройстве приводит к изменению работы сжатия воздуха вследствие различного значения закрутки воздуха на входе в колесо.

При положительной закрутке потока, то есть по направлению вращения колеса работа сжатия уменьшается, при отрицательной – увеличивается. При этом при угле a < 90° p_к и КПД падают. При угле a > 90° повышение p_к наблюдается только до углов a = 103°, после чего и p_к и КПД падают, что связано с ростом числа Маха относительной скорости и, соответственно, потерь.

Поворот лопаток лопаточного диффузора

Этим способом регулируется расход воздуха через лопаточный диффузор.

Расход воздуха через лопаточный диффузор определяется по зависимости (рис. 8.6)

,

то есть расход пропорционален sina₃.

Рис. 8.6. Схема размещения поворотных лопаток в диффузоре

Базовое значение угла a₃ выбирается для расчетного режима. При отклонении режима работы от расчетного происходит отрыв потока на лопатках, что сужает диапазон работы. Поворот лопаток позволяет расширить диапазон работы по расходу (рис. 8.7).

Рис. 8.7. Влияние угла поворота лопаток в диффузоре
на степень повышения давления

Из графика видно существенное влияние угла поворота лопаток на протекание кривой p_к при постоянной частоте вращения вала компрессора.

Поворот лопаток может осуществляться разными способами: поворотом передних частей лопаток или целых лопаток (рис.8.8).

                     а                                              б

Рис. 8.8. Поворотные лопатки диффузора:

а – поворот передних частей лопаток; б – лопатки на поворотных дисках

Совместный поворот лопаток ВНА и лопаточного диффузора

Совместный поворот лопаток входного направляющего аппарата и лопаточного диффузора позволяет расширить диапазон работы компрессора по расходу. При этом КПД компрессора меняется незначительно.

Изменение высоты канала диффузора

Как известно, расход воздуха пропорционален высоте канале b ₃ (см. рис. 8.6). Изменение высоты канала позволяет при уменьшении расхода воздуха сохранить неизменными углы набегания потока на лопатки диффузора и таким образом менять положение границы помпажа (рис. 8.9).

Рис. 8.9. Изменение границы помпажа при регулировании
высоты канала диффузора

Недостатком данного метода является сложность конструктивного осуществления.

 

Перепуск воздуха

Перепуск воздуха может использоваться как антипомпажное средство и как способ ограничения давления наддува.

При приближении к границе помпажа часть воздуха из нагнетательного патрубка (D G, на рис. 8.10) выпускается и направляется во входной патрубок компрессора или в турбину. Режим работы компрессора соответствует расходу G _к. Если бы воздух не перепускался, то режим работы компрессора соответствовал бы расходу G _дв, что соответствует работе компрессора в зоне помпажа. При поступлении воздуха в турбину снижается ее температура.

Рис. 8.10. Регулирование компрессора перепуском воздуха

Для ограничения давления наддува избыточный воздух направляют на вход в турбину или на выход из нее.

Регулирование турбины

Дросселирование газа на входе или выходе из турбины

Способ применяется для ограничения наддува.

Дросселирование осуществляется заслонкой, устанавливаемой на входе или выходе из турбины, что снижает степень понижения давления газа в турбине. Тем самым ограничивается частота вращения ротора турбокомпрессора и, соответственно, давление наддува. При дросселировании на выходе КПД меняется меньше, чем при дросселировании на входе. Увеличение противодавления на выходе двигателя увеличивает расход топлива и снижается КПД.

Изменение степени парциальности турбины

Способ основан на изменении площади соплового аппарата турбины.

При малой частоте вращения вала двигателя и недостаточном давлении наддува весь газ направляется через часть соплового аппарата. Скорость газа увеличивается, увеличивается частота вращения ротора турбокомпрессора и соответственно давление наддува. КПД турбины падает, но ее мощность растет.

Схема работы парциальной турбины и регулирования показаны на рис. 8.11.

Рис. 8.11. Изменение степени парциальности турбины

В выпускном трубопроводе установлена поворотная заслонка, которая может занимать два положения. В одном положении турбина работает как парциальная, в другом – как обычная.

Изменение высоты соплового аппарата

Как известно, расход газа через турбину пропорционален высоте соплового аппарата. Поэтому, изменяя высоту соплового аппарата можно изменять расход газа. Две возможные схемы регулирования высоты соплового аппарата показаны на рис. 8.12.

Рис. 8.12. Изменение высоты соплового аппарата турбины:

а – двухканальным подводом газа; б – перемещением стенки с лопаткой

В схеме а подвод газа может осуществляться по одному или двум каналам в зависимости от положения регулирующего клапана. В схеме б регулирование осуществляется перемещением левой стенки с утапливанием лопатки в противоположной стенке.

В отличие от дросселирования при этом способе используется большая часть кинетической энергии потока, поэтому падение КПД турбины меньше. При большом уменьшении высоты аппарата (> 0,8) падение КПД значительно.

Изменение угла выхода потока газа из соплового аппарата

Данный способ применяется для регулирования расхода газа и изменения треугольника скоростей в желаемом направлении. Регулирование осуществляется поворотом лопаток соплового аппарата
(рис. 8.13).

Рис. 8.13. Схема регулирования угла выхода потока газа из соплового аппарата

При уменьшении угла a₁ уменьшается проходное сечение между лопатками, и при одном и том же p_т уменьшается расход газа через турбину. Это позволяет повысить КПД турбины на нерасчетном режиме и лучше согласовать работу турбины и компрессора. На нерасчетном режиме КПД турбины ниже, чем на расчетном режиме, но выше, чем нерегулируемой турбины.

Перепуск части выхлопных газов в атмосферу

Перепуск части выхлопных газов мимо турбины в атмосферу применяют для ограничения наддува. КПД этого способа выше, чем перепуск воздуха после компрессора.

Схема регулирования представлена на рис. 8.14.

Рис. 8.14. Схема регулирования перепуска части выхлопных газов
мимо турбины

В выпускном канале перед турбиной устанавливается перепускной клапан, который связан с мембраной. С одной стороны мембраны давление атмосферное, а с другой – давление наддува.

Турбину рассчитывают на режим максимального крутящего момента двигателя. При увеличении частоты вращения вала двигателя и турбокомпрессора и росте давления выше допустимого мембрана открывает клапан, и часть выхлопных газов направляется мимо турбины в атмосферу. В результате частота вращения вала турбокомпрессора снижается и, соответственно, падает давление наддува. Данный способ применяют в автотракторных двигателях со степенью повышения давления 1,8-4.

Изменение частоты вращения вала агрегатов наддува
дифференциальной передачей

Данный способ позволяет изменить вид кривой крутящего момента двигателя, повысить коэффициент приспособляемости и направлен на увеличение давления наддува при снижении частоты вращения коленчатого вала двигателя. Дифференциальная передача может использоваться в приводном компрессоре или в приводе турбокомпрессора.

Схема дифференциальной передачи для привода компрессора показана на рис. 8.15.

Рис. 8.15. Схема дифференциальной передачи для привода компрессора:

1 – водило; 2 – шестерня компрессора; 3 – коронная шестерня; 4 – сателлит;
5 – солнечная шестерня; 6 – шестерня привода компрессора; 7 – вал отбора мощности

Двигатель через дифференциальный редуктор связан как с валом отбора мощности 7, так и с приводным компрессором. Коронная шестерня 3 связана с валом отбора мощности. Водило 1 связано с коленчатым валом двигателя. Солнечная шестерня 5 выполнена заодно с шестерней привода компрессора 6.

При повышении нагрузки и снижении частоты вращения выходного вала 7 увеличивается частота вращения сателлитов 4 и солнечной шестерни 5, а следовательно, растет частота вращения шестерен 6 и 2. С ростом частоты вращения вала компрессора возрастает давление наддува и крутящий момент двигателя.

Рис. 8.16. Схема комбинированного двигателя с силовой турбиной и
дифференциальной передачей для привода компрессора:

1 – водило; 2 – шестерня компрессора; 3 – коронная шестерня; 4 – сателлит;
5 – солнечная шестерня; 6 – шестерня привода компрессора; 7 – вал отбора мощности

Дифференциальная передача может использоваться и для привода центробежного компрессора в двигателе с силовой турбиной
(рис. 8.16).

Как и в предыдущей схеме, при снижении частоты вращения вала отбора мощности возрастают частота вращения вала компрессора и давление наддува.

Недостатками схем с дифференциальной передачей для привода компрессора являются их сложность, громоздкость, механическая напряженность и проблемы с пуском.