Файл: Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания..pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 199
Скачиваний: 1
Аналогичная схема регулирования центростремительной тур бины предложена в одном из французских патентов (рис. 140, б). Разделенный на секторы сопловой аппарат соединен с выпуск ным коллектором клапанами 2. В зависимости от режима рабо ты газы поступают или через все сечения соплового аппарата, или только через его часть.
Если изменять высоту канала 1\, то приблизительно пропор ционально будет меняться расход газа. Такое регулирование
Рис. 141. Схема проточной час ти центростремительной турби ны ТКР-40:
1 — колесо турбины; 2 и 3 — стенки соплового канала; 4 — по воротная сопловая лопатка; 5 — прокладка для регулирования вы соты соплового канала
Рис. 142. Характеристика центростремительной тур бины при различной вы соте соплового канала:
• — а, =12°; |
о |
— а, = 27° 45': |
X — |
аі |
=- 48° |
конструктивно проще осуществить в ЦСТ. Исследования турбо компрессора ТКР-40 с переменной высотой соплового канала при одновременном изменении угла аі (схема проточной части турбины приведена на рис. 141), излагаются ниже. При испыта ниях зазор 5і между торцами поворотных сопловых лопаток 4 и стенкой 2 соплового канала выдерживался постоянным. Относи
тельная величина его находилась в пределах бі = —- = 3,82 -у- 0
и- 4,14%. Высота 1\ соплового канала изменялась уменьшением или увеличением толщины прокладки 5, а торцовый зазор сохранялся постоянным вследствие шлифовки торцов сопловых лопаток. Угол сц выхода потока из соплового аппарата менялся в пределах 12—48° поворотом лопаток. Испытания проводились при степени понижения давления газов л г = 2,0 и UJCajl = 0,6.
212
На рис. 142 приведено изменение к. п. д. турбины и расхода газа при различных значениях угла сц в зависимости от относи
тельной высоты канала ---- . К. п. д. турбины |
с изменением |
h |
l[ |
при постоянном значении си изменяется незначительно. Напри
мер, уменьшение относительной высоты канала от 0.955 до
0,83 при углах си = 27° 45' и 48° приводит к изменению к. п. д. на 0,5—1,5%. При меньшем значении угла си = 12° такое же из менение относительной высоты привело к снижению к. п. д. на
4,5—6%. |
Это |
свидетельствует |
|
|
о том, что к. п. д. турбины ма |
|
|||
ло изменяется |
при |
изменении |
|
|
высоты |
соплового канала при |
|
||
больших углах щ и более рез |
|
|||
ко при малых углах. Расход га |
|
|||
за через |
турбину |
изменялся |
|
|
соответственно |
изменению от- |
|
||
ношения |
z. ■при всех исследо- |
|
||
|
I, |
|
|
|
ванных значениях угла ось |
Рис. 143. Схемы регулирования цент |
|||
Зависимость |
расхода от из |
ростремительной турбины изменением |
||
менения |
высоты соплового ка |
высоты соплового канала: |
нала используют для регулиро |
а |
— ступенчатое; б — |
бесступенчатое; |
|
1 |
— клапан; 2 — неподвижная перегород |
|||
вания ЦСТ турбокомпрессоров |
|
ка; 3 — подвижная |
перегородка |
|
транспортных |
двигателей. |
|
|
|
В одном из конструктивных вариантов такого регулирования (рис. 143, а) сопловой канал был разделен по высоте перегород кой. Газ подавался в турбину по двум трубам к обеим половинам соплового аппарата при номинальной частоте вращения колен чатого вала двигателя, а при снижении частоты вращения — че
рез одну трубу только к половине соплового аппарата |
(закры |
||
вался клапан 1). В другом варианте |
(рис. 143, б) |
— подвижная |
|
перегородка 3 меняла высоту соплового канала |
соответственно |
||
режиму работы. |
си возможно |
как |
осевых, |
Регулирование изменением угла |
так и радиально-осевых турбин. Исследованиями [6], например, установлено, что при изменении расхода газа на 30—35% соот ветствующим изменением угла си при сохранении постоянными давления и температуры перед турбиной ее к. п. д. изменялся на 2—3%.
Конструктивное выполнение регулируемых сопловых аппара тов осевых турбин весьма разнообразно. В известной конструк ции осевой турбины торгового судна «Джон Сержант» поворот ные сопловые лопатки вращаются при помощи изготовленных как одно целое с лопатками стержней, на которых расположены кривошипы. В конструкции, приведенной на рис. 144, для пре-
213
дот вращения влияния тепловых деформаций деталей проточной части на механизм поворота лопаток оси их размещают во втул ках, расположенных одновременно в экранирующем ободе и корпусе. Уменьшение утечек обеспечивается тем, что поворотные лопатки в местах перехода к стержню снабжают буртами, ко торые утоплены в соответствующих выточках корпуса. Синхрон ный поворот лопаток осуществляется рычагами, соединенными с поворотным диском, установленным на подшипниках качения,
h - |
Б-Б |
1 — корпус; 2 — экранирующий обод; 3 — внутренний обод; 4 — поворотный диск; 5 — шарико-
подшипник; 6 — ось эксцентрика; 7 — стойка; 8 — штрифт радиальный; 9 — торцовые бурты на лопатках; 10 — сопловые лопатки; 11 — направляющие втулки; 12 — рычаг; 13 — корпус шарнира; 14 — рычаг поворота диска; 15 — ролик
При повороте лопаток соплового аппарата осевых турбин ци линдрические ограничительные поверхности проточной части турбины не позволяют осуществить поворот лопаток без образо вания больших зазоров у их торцов. Во избежание этих зазоров ограничительные поверхности проточной части и торцы поворот ных лопаток выполняют сферическими, а лопатки делают как одно целое с торцовыми упорными дисками.
В ЦСТ сопловой аппарат с поворотными лопатками осущест вить проще, чем в осевой турбине, так как поверхности, ограни чивающие канал, являются плоскими. Характеристики одной из регулируемых ЦСТ приведены на рис. 145. Эта турбина имеет сравнительно пологую зависимость цт= /(ыі/сад). Пропускная способность ее при изменении угла со в диапазоне 7—49° изме нялась более чем в 2,5 раза.
Об интересе, который проявляется за |
рубежом и у |
нас |
в стране к сопловому регулированию ЦСТ, |
можно судить |
по |
большому количеству выданных патентов. В США запатентован механизм поворота сопловых лопаток, который не искажает
214
форму проточной части межлопаточных каналов. Этот механизм состоит из поворотного диска с профильными канавками, в ко торых движутся «башмаки», закрепленные на осях поворотных лопаток. Известна конструкция ТК с регулируемой ЦСТ, кото рая применялась для наддува тепловозного двигателя фирмы Дженерал Моторе.
Конструкция соплового аппарата с групповым приводом по воротных лопаток показана на рис. 146. Лопатки 1 расположены по четыре на сегментах 5. При помощи обода 2 и рычага 3 сег
мент поворачивается вокруг оси стержня 4. |
В зависимости |
от |
|||||||||||||
положения |
сегмента |
меняется вели |
Пт |
|
|
|
|
|
|||||||
чина проходного сечения |
соплового |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
аппарата. |
Разница |
|
между |
макси |
|
|
|
|
|
|
|||||
мальным и минимальным |
значения |
|
|
|
|
|
|
||||||||
ми проходного сечения может дохо |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
дить до 40%, |
что |
|
достаточно |
для |
|
|
|
|
|
|
|||||
поддержания примерно постоянным |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
давления рк при изменении частоты |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
вращения коленчатого вала в диапа |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
зоне 60—100%. |
|
конструкций |
ре |
|
|
|
|
|
|
||||||
Для некоторых |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
гулируемых |
сопловых |
аппаратов |
|
|
|
|
|
|
|||||||
ЦСТ |
характерно |
|
использование в |
|
|
|
|
|
|
||||||
качестве опор осей |
|
|
поворотных ло |
|
|
|
|
|
|
||||||
паток подшипников качения. На рис. |
Рис. |
145. |
Зависимость |
к. п. д. |
|||||||||||
147 показаны два |
варианта |
конст |
|||||||||||||
рукции |
соплового |
аппарата |
с пово |
регулируемой центростреми |
|||||||||||
ротными лопатками |
|
для ТКР-40. В |
тельной турбины от Иі/сад: |
||||||||||||
|
1 _ |
а, |
- |
7°; 2 — аі - |
17°; 3 |
— |
|||||||||
одной из них (рис. 147, а) экран из |
а, |
= |
28°30'; 4 — а, = 49°30' |
|
|||||||||||
жаропрочной |
стали |
защищает |
от |
|
|
|
|
|
|
воздействия высоких температур механизм поворота, состоящий из рычагов, поворотного диска и шарикоподшипников. Механизм поворота лопаток с подшипниками качения оказался надежным н работоспособным. Недостатком конструкции является большое коробление экрана из жаропрочной стали (до 1 мм и больше за
500ч работы).
Вдругом варианте (рис. 147, б) сопловой аппарат выполнен без экрана. Корпус изготовлен из чугуна, имеет водяное охлаж дение. Коробление корпуса за тот же срок работы уменьшилось до 0,1 мм, что увеличило надежность конструкции.
Регулирование ЦСТ с безлопаточными сопловыми аппарата ми возможно перемещением профилированной перегородки в по лости газоприемного патрубка. При этом изменяется сечение проточной части патрубка. Уменьшение его площади при посто янном значении степени понижения давления уменьшает сте
пень реактивности, угол со и расход газр. Как показали иссле дования [27], при уменьшении таким способом расхода в 1,64 ра за к. п. д. турбины уменьшился от 0,71 до 0,64.
215
На рис. 141 показана схема проточной части эксперимен тальной центростремительной турбины турбокомпрессора типа ТКР-40 с поворотными сопловыми лопатками. Основные разме ры этой турбины были выбраны исходя из требований обеспече-
Рис. 146. Сопловой аппарат центростремительной турбины с групповым при водом поворотных лопаток:
а — продольный разрез; б — максимальное раскрытие лопаток; в — минимальное рас крытие лопаток; 1 — сопловая лопатка; 2 — синхронизирующий обод; 3 — рычаг; 4 — стержень; 5 — пластинчатый сегмент
ния коэффициента приспособляемости |
К — 2,0 |
при репом = |
= 1,18 МН/м2. Диаметр рабочего колеса |
на входе |
D = 400 мм, |
на выходе D2= 280 мм и D2 = 140 мм. Номинальная высота соп-
Рис. 147. Конструкция сопловых аппаратов с поворотными лопат ками
ловых лопаток /і = 20 мм. Сопловые лопатки турбины поворачиваются синхронно, обеспечивая изменение угла выхода потока в пределах со = 7 50°. Ниже приведены результаты некоторых, экспериментальных исследований этой турбины.
216
Как указывалось выше, для вращения поворотных лопаток соплового аппарата необходим зазор между торцами этих лопа ток и ограничивающими сопловой канал стенками. Из-за нерав номерного нагрева стенки соплового канала коробятся [29]. Вследствие этого возрастает требуемая для свободного враще ния лопаток величина торцового зазора. Величина этого зазора может достигать 6—8% высоты канала, что является причиной снижения к. п. д. турбины, повышения теплонапряженности и снижения экономичности двигателя.
Рис. 148. Сопловые аппараты с поворотными на правляющими лопатками:
а — с открытым торцовым зазором; б —с полузакры тым торцовым зазором; 1 — сопловая лопатка; 2 — по воротная ось; 3, 4 — стенки соплового канала; 5 — нажимное устройство; 6 — цилиндрический хвостовик
Исследования влияния торцового зазора проводились с соп ловым аппаратом двух вариантов: с закрытым (рис. 148, а) и полузакрытым (рис. 148, б) торцовым зазором. В сопловом ап парате первого варианта поворотная сопловая лопатка 1 имела плоские торцы. Торцовый зазор 6і имел открытую часть, равную хорде профиля Ь. В сопловом аппарате второго варианта пово ротная лопатка 1 имела один плоский торец, который нажимным устройством 5 прижимался к стенке 3 соплового канала. Другой торец лопатки был соединен с цилиндрическим хвостовиком 6, утопленным в цилиндрической расточке стенки 4 канала. Откры тая часть торцового зазора составляла часть хорды профиля (вследствие «свеса» части лопатки с цилиндрического хвостови
ка) и была равна у выходной кромки ——= 10% и у входной
217
кромки ь = 22%. Торцовый зазор А между хвостовиком сопло-
вой лопатки и дном цилиндрической расточки в стенке сохра нялся постоянным. Величина его составляла приблизительно 9% высоты соплового канала, т. е. была выбрана с расчетом на ра боту в условиях значительного коробления стенок, ограничиваю щих сопловой канал. При испытаниях поворотные лопатки на жимным устройством 5 фиксировались относительно соплового
канала в определенном положении. Зазор 6і изме нялся шлифовкой лопа ток. Величина его измеря лась линейным индикато ром. Угол выхода потока из соплового аппарата оп ределялся теоретически.
Зависимости к. п. д. турбины т]т, приведен-
ного |
|
расхода |
Gr V |
Tr, |
|||
приведенной |
|
|
Р т |
||||
|
мощности |
||||||
|
Ут |
|
и реактивности р |
||||
|
|
|
|||||
РтУ I |
Тт |
|
торцовых |
||||
при |
различных |
||||||
зазорах |
6і и |
ыі/сад |
для |
||||
си |
= |
27° 4 5 ' |
и |
|
я т = |
2,0 |
|
с |
сопловым |
аппаратом |
|||||
первого |
варианта |
приве |
|||||
дены на рис. 149. Увеличе- |
|||||||
Рис. 149. Влияние торцового за |
|||||||
зора |
в сопловом |
|
аппарате на |
||||
|
характеристики турбины: |
||||||
1 — бі_= 2,25%; |
2 — |
= 4,14%; |
|||||
3 — 6. = 6,91°/о; 4 — 6, = 8,97% |
|||||||
нне торцового зазора в сопловом аппарате |
заметно |
|
снижает |
к. п. д. турбины. При этом наибольшее снижение к. п. д. имеет место при малых си, несколько меньшее — при больших си. Это можно объяснить тем, что с уменьшением угла си снижается ре активность турбинной ступени, увеличивается доля теплоперепа да, срабатываемого в сопловом аппарате. Вследствие этого воз растают перетекания газа через торцовый зазор. Относительное
изменение к. п. д.д-урбины в зависимости от торцового зазора 6і при различных углах си приведено на рис. 150. Здесь по оси ор-
218
дішат отложен относительный к. п. д. цт, представляющий собой
отношение к. п. д. |
при текущем значении торцового зазора 6і |
|
к к. п. д. г\т при отсутствии зазора |
(значение к. п. д. в интервале |
|
торцового зазора |
6і = 0 -к 2,25% |
получены путем экстраполя |
ции) . |
|
|
Для отношения Ні/сад = 0,6 д- 0,7, которое является наиболее характерным для ЦСТ комбинированных транспортных двигате
лей, при угле си = 12° увеличение торцового зазора 6і на 1% снижает к. п. д. турбины приблизительно на 2,5—2,7%; при тех
же |
значениях «і/сад, но при си = 27° 45' увеличение этого зазора |
на |
1% снижает к. п. д. приблизительно на 2,0%, а при си = |
= 48° — на 1,2—1,4%. Аналогичные результаты получены и для других значений степени понижения давления в турбине.
Турбина с полузакрытым торцовым зазором в сопловом аппа рате оказалась менее чувствительной к его изменению. Уменьше ние длины открытого торцового зазора благоприятно сказалось на ее характеристиках. Так, если с открытым торцовым зазором
в сопловом аппарате при сц = 27°45' увеличение зазора öi от 0 до 8 % снижает к. п. д. турбины до т]т = 0,765, то с полузакры
тым — лишь до г)Т = 0,96. Влияние торцового зазора на к. п. д. турбины резко уменьшилось.
Положение торцового зазора может быть произвольным или фиксированным относительно образующих сопловой канал сте нок. В осевой турбине он может быть расположен либо в корне вой, либо в периферийной части. В ЦСТ он может совпадать с передним осевым зазором у рабочего колеса или не совпадать. При одинаковой величине зазор у корневой части лопаток сни жает к. п. д. осевой турбины больше, чем такой же зазор у пе риферийной. Влияние же положения зазора в сопловом аппарате ЦСТ не исследовано. Поэтому из-за отсутствия обоснованных рекомендаций положение зазора в сопловом аппарате при проек тировании обычно не учитывается.
Для исследования было использовано устройство, при помо щи которого поворотные лопатки устанавливались относительно соплового канала в строго определенное положение. Торцовый зазор 'öi в сопловом аппарате или совпадал с передним зазором Д у колеса турбины (см. рис. 141), или лопатки прижимались к противоположной стенке соплового канала, и торцовый зазор в сопловом аппарате не совпадал с передним зазором Д у колеса турбины. Из графика рис. 151 видно, что наблюдается вполне определенная зависимость к. п. д. турбины от положения торцо
вого зазора öi в сопловом канале. Разница в значениях к. п. д. при различных положениях торцового зазора в сопловом аппара те составляет 1—5%.
Регулирование с помощью перепуска газа характеризуется тем, что часть отработавших газов двигателя направляется по
219