Файл: Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания..pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 211
Скачиваний: 1
В результате совмещения гидравлических нагрузочных ха рактеристик двигателя и характеристик турбокомпрессора для каждой ядв можно найти G, соответствующее предельно допу стимой температуре Ѵт. Затем из уравнения (140) определяют
коэффициент избытка |
воздуха, |
а из |
(139) — мощность двигате |
|
ля. Необходимые для |
расчета параметры тр, ge, Рп |
оценивают |
||
по экспериментальным |
данным |
или |
эмпирическим |
зависимо |
стям [30]. |
|
|
|
|
Рассмотрим характеристики совместной работы турбоком |
||||
прессора 6ТК (типа |
ТК-38) |
и поршневой части |
двигателя |
|
16ЧН 26/26 (рис. 111). |
|
|
|
|
Линии постоянных температур перед турбиной проходят очень круто, т. е. при Ѵт = const с уменьшением расхода воз
духа давление наддува резко падает. Экспериментальные ре зультаты удовлетворительно совпадают с расчетами и под тверждают такой характер падения давления наддува при не изменной температуре газов. Например, если на номинальном режиме при G = 4 кг/с и температуре газов t*. = 650° С дав
ление рк — 0,25 МН/м2, то при снижении расхода воздуха до 2 кг/с при той же температуре газов давление наддува умень шается до 0,157 МН/м2.
Линии t* = const на диаграмме совместной работы
ограничены справа точкой пересечения с вертикальной ветвью расходной характеристики компрессора, вдоль которой потреб ляемая компрессором мощность практически не меняется. В об ласти более высоких скоростей вращения, где рк и G больше, чем в точке пересечения кривой t* = const с вертикальной
ветвью характеристики компрессора, баланс мощностей дости гается при более высокой температуре газов.
175
Изменение диапазона работы по расходу воздуха в зависи мости от давления наддува для компрессора и поршневой части существенно различаются между собой. С увеличением рк линии постоянных скоростей вращения двигателя лдв = const расходятся, а диапазон изменения расхода на характеристике компрессора при ы2 = const сужается. Вместе с тем повышение коэффициента приспособляемости высокофорсированного дви гателя связано с необходимостью получения высокого давления
Рис. 111. Характеристики турбины, компрессора ТК-38 (6ТК) и поршневой части двигателя 16ЧН 26/26 при сов местной их работе:
/ — граница помпажа; / — гидравлические характеристики дви
гателя; сплошные линии — п |
л |
—const; штриховые линии — t* — |
|
г |
|
|
= |
const |
наддува при уменьшении его частоты вращения. Так как расход воздуха практически пропорционален пдв, то система воздухоснабжения должна обеспечивать устойчивую работу с возможно меньшим изменением рк при снижении расхода воздуха через двигатель.
Поэтому границей помпажа и правой вертикальной ветвью характеристики компрессора, а также диапазоном изменения расхода через двигатель, определяются границы возможного повышения развиваемого крутящего момента при пониженной частоте вращения коленчатого вала.
176
При |
пониженных |
частотах |
вращения |
коленчатого вала |
||||||
(п = |
0,6 -t- 0,7) |
с увеличением температуры газов давление над |
||||||||
дува |
возрастает |
значительно |
слабее, |
чем |
при п = 0,8 |
1 (см. |
||||
рис. |
111). Например, |
при гадв = |
700 |
об/мин |
(п = 0,7) |
повыше |
||||
ние tj |
от 550 |
до |
650° С |
приводит |
к увеличению |
ри от |
0,125 МН/м2 до 0,142 МН/м2; при пдв — 800 об/мин давление рк возрастает от 0,142 до 0,195 МН/м2, а при пдв = 900 об/мин — от 0,177 до 0,27 МН/м2. Прирост давления наддува с увеличе нием температуры газов по нагрузочной характеристике в области правых ниспадающих ветвей линий t ”r = const вновь
замедляется.
Анализ диаграммы совместной работы позволяет сделать вывод, что с целью повышения давления наддува и крутящего момента при пониженных частотах вращения двигателя жела тельно сблизить его гидравлические характеристики по расходу и создать примерно одинаковый их наклон к рабочим линиям t*T = const.
Это позволит обеспечить значительный прирост давления наддува и расхода воздуха с увеличением температуры газов до допустимых пределов. Уменьшение наклона нагрузочной гид
равлической характеристики согласно |
уравнению |
(141) дости |
|
гается |
при увеличении коэффициента |
расхода |
продувочного |
воздуха |
с повышением рк. Для этого необходимо, чтобы об |
ласть максимальных к. п. д. компрессора располагалась в зоне высоких ри. Тогда с увеличением давления наддува возрастет отношение рк/рт и увеличится расход воздуха.
На рис. 112 приведены характеристики двигателя 16ЧН 26/26 и турбокомпрессора 6ТК при совместной работе с двумя проход ными сечениями соплового аппарата турбины F\ = 150 и 160 см2 и площадью проходного сечения на входе в диффузор F3 — = 97 см2 (аз = 21°). Из приведенных хаарктеристпк следует, что при частоте вращения двигателя пдв = 700 об/мин уменьше
ние Fi |
от 160 до 150 см2 (на 6,5%) повышает давление наддува |
||
на 0,01 — 0,015 МН/м2, |
а при |
пД11 = 1000 об/мин — на 0,025 — |
|
0,035 |
МН/м2. Рабочая |
линия |
t\ = 650° С при F\ = 150 см2 в |
значительном диапазоне скоростного режима работы двигателя
(от 750 до |
900 об/мин) |
проходит |
левее |
границы |
помпажа |
||||||
(рис. 112, а), что |
ограничивает нагрузку |
двигателя из-за |
неус |
||||||||
тойчивой работы компрессора. При F\ = 160 см2 область неус |
|||||||||||
тойчивой |
работы |
для |
t* = 650° С |
сужается |
(от |
800 |
до |
||||
870 об/мин). При работе |
двигателя |
на |
режимах пдв = 900 |
||||||||
-г- 1000 об/мин и |
= |
550 ч- 650° С |
к. п. д. компрессора |
из |
|||||||
меняется в диапазоне 0,75—0,8. |
|
|
диффузора |
компрес |
|||||||
Применение в этом турбокомпрессоре |
|||||||||||
сора с уменьшенным проходным сечением |
(аз = |
19° |
и |
F3 = |
|||||||
= 88 см2) |
при ограничительной температуре |
t* |
= 650° С |
|
обе- |
12 Заказ 963 |
177 |
спечивает в скоростном диапазоне |
ядв = 750 900 об/мин |
устойчивую работу компрессора (рис. |
112,6). В этом случае при |
работе двигателя на полной мощности к. п. д. турбокомпрес сора уменьшается на 3—4%. Влияние площадей проходных се чений соплового аппарата турбины аналогично рассмотренному выше.
Сочетание проходных сечений турбины и компрессора опре деляется заданной ограничительной характеристикой двигате ля. В рассмотренном случае проходные сечения соплового аппа рата турбины и диффузора компрессора выбраны соответствен но Fi = 160 см2 и F3 = 97 см2, что обеспечивает приемлемые
Рис. 112. Характеристики турбокомпрессора 6ТК и двигателя 16ЧН 26/26 с различными сечениями соплового аппарата турбины и диффузорами компрессора:
а — а3 = 21°; б -- а |
5 = 19°; I — граница помпажа; |
сплошные ли |
нии — F] = 150 |
см2; штриховые линии — Fj = |
160 см2 |
показатели по экономичности на полной мощности и устойчивую
работу но тепловозной характеристике двигателя |
16ЧН 26/26 |
|||
(1-9ДГ). |
момента |
на малых |
||
Для |
получения повышенного крутящего |
|||
частотах |
вращения двигателя проточная |
часть |
компрессора |
|
подбирается так, чтобы обеспечить минимально |
необходимый |
запас по расходу воздуха в левой верхней точке ограничитель ной гидравлической характеристики, турбина же на этом режиме должна развивать необходимую мощность. При номи нальной мощности проходные сечения турбины оказываются уменьшенными, в результате чего увеличивается скорость
вращения |
турбокомпрессора с |
одновременным |
смещением |
рабочей точки на правую ветвь |
характеристики |
компрессора, |
|
т. е. в область низких к. п. д. |
|
|
|
На рис. |
113 приведены характеристики турбокомпрессора |
ТК.-23, настроенного для обеспечения повышенного коэффициен та приспособляемости двигателя 8ЧН 26/26, предназначенного для маневрового тепловоза с гидропередачей, имеющей два
178
гидротрансформатора и гидромуфту. На режиме полного кру тящего момента (точка А ) запас от границы помпажа составля ет 5% по расходу воздуха. Как показали испытания, этого запаса недостаточно: при изменении температуры всасываемого воздуха и сопротивления воздушного тракта компрессор попа дал в помпаж. На режиме максимальной мощности (точка Б) давление наддува резко повышается при одновременном сни жении температуры газов. Повыше ние запаса по расходу воздуха от границы помпажа было достигнуто за счет уменьшения ширины диффу
зора bз компрессора. В результате рабочая точка, соответствующая полной мощности двигателя, оказа лась в зоне низких к. п. д. компрес сора, что привело к некоторому по вышению температуры на номиналь ном режиме и ухудшению продувки
(уменьшилось----за счет падения
Рт
Рк) ■
Рис. 113. Характеристики турбокомпрессора типа ТК-23 и двигателя 8ЧН 26/26 при сов местной их работе с повышенным коэффи циентом приспособляемости:
1 — граница помпажа; ЛБ — ограничительная гидравлическая характеристика двигателя
Влияние высокой температуры газов на работоспособность дисков и рабочих лопаток проявляется по-разному на низких и высоких скоростях вращения турбокомпрессора. Если макси мальная температура газов (обычно 680—700° С) достигается на режиме высокого крутящего момента при пониженных ско ростях вращения двигателя, когда относительно низка скорость вращения турбины, то запасы прочности обычно достаточны. Если же при переходе к работе на номинальном режиме повы шение п на 25—30% сопровождается ростом температуры газов, то снижаются запасы прочности лопаток и диска турбины (в 1,5—1,7 раза). Это также ограничивает возможности обеспече ния высокого коэффициента приспособляемости только за счет настройки турбокомпрессора, особенно при высоких ре.
Увеличение скорости вращения турбокомпрессора и давле ния наддува на номинальной мощности может приводить к не допустимо высоким давлениям сгорания. Для снижения и2 и рк может быть применен перепуск части газов мимо турбины (см. ниже) или повышение противодавления на выпуске из турби ны. Как показывают расчеты и опыты, если создать небольшое
12* |
179 |
сопротивление на выпуске /?2 = 0,103 ч - 0,106 МН/м2 на режиме максимального крутящего момента, то при работе на полной мощности давление р2, пропорциональное квадрату объемного расхода газа, увеличивается до р2 = 0,110 ч- 0,120 МН/м2, что заметно уменьшает давление наддува и скорость вращения тур
бокомпрессора. При наличии |
фазы |
продувки |
цилиндров |
такое |
|||||||
повышение |
противодавления |
приводит |
к снижению |
диапазона |
|||||||
расходов на |
ограничительной |
гидравлической |
характеристике, |
||||||||
|
|
|
что |
дополнительно |
снижает ско |
||||||
|
|
|
рость |
вращения |
|
турбокомпрес |
|||||
|
|
|
сора. |
возможность |
обеспечения |
||||||
|
|
|
|
На |
|||||||
|
|
|
повышенного |
запаса |
крутящего |
||||||
|
|
|
момента влияет выбор типа и па |
||||||||
|
|
|
раметров ступени с точки зрения |
||||||||
|
|
|
получения более |
пологого |
проте |
||||||
Рис. |
114. Сравнение характеристик |
кания ее расходной характеристи |
|||||||||
|
турбокомпрессоров турбин: |
ки. |
Сравнение расходных харак |
||||||||
/ — |
осевой; 2 — центростремительной |
теристик |
осевой |
и |
центростреми |
||||||
|
|
|
тельной |
ступеней, |
рассчитанных |
на одни и те же параметры, показывает, что в зоне малых яг уве личение расхода газа вызывает в обоих случаях одинаковый прирост давления р^.. При яг = 1,7 ъ 2,5 осевая ступень имеет
более крутую характеристику. Поэтому рост расхода через сту пень приводит к большему повышению теплоперепада и ее мощ ности, чем у центростремительной ступени.
На рис. 114 приведена диаграмма характеристик для турбин обоих типов с компрессором типа ТК-38. Вследствие более по логого протекания расходной характеристики линия t-r — const
для центростремительной турбины протекает также положе, чем для осевой. В некоторых случаях, особенно при высоких рк, целесообразно переходить к двухступенчатой турбине. Однако следует указать, что возможности улучшения характеристик за счет подбора типа и параметров турбины ограничены. Поэтому находят применение различные способы регулирования турбо компрессоров или изменения расходной характеристики сети (двигателя), на которую они работают.
ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ ВОЗДУХОСНАБЖЕНИЯ С СИЛОВОЙ ТУРБИНОЙ
Давление в конце процесса расширения в цилиндре обычно в 2—3 раза превышает давление наддува. В то же время в си стеме наддува со свободным турбокомпрессором давление пе ред турбиной существенно ниже рк. Следовательно, часть энер гии отработавших газов не используется в турбине, т. е. теряет ся при дросселировании в клапанах и выпускной системе. При
180