Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы и анализ состояния вопроса 10
1.1. Влияние турбонаддува на основные показатели комбинированных двигателей внутреннего сгорания 11
1.2. Способы регулирования турбонаддува двигателей внутреннего сгорания 11
1.2.1. Использование поворотных лопаток лопаточного направляющего аппарата турбины 13
1.2.2. Изменение площадей проходного сечения безлопаточного направляющего аппарата турбины 15
1.3. Краткий анализ состояния вопроса 17
1.4. Постановка задач на исследование 18
ГЛАВА 2. Теоретическое исследование течения газа в регулируемом безлопаточном направляющем аппарате турбины 19
2.1. Расход воздуха через поршневую часть двигателя 19
2.2. Регулируемый безлопаточный направляющий аппарат 22
ГЛАВА 3. Малоразмерный турбокомпрессор с парциальным регулированием турбины 29
3.1. Профилирование безлопаточного направляющего аппарата 29
3.2. Разработка малоразмерного турбокомпрессора с парциальным регулированием турбины 33
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование малоразмерного турбокомпрессора с парциальным регулированием турбины на автотракторных двигателях 40
4.1. Цель и выбор объектов исследования 40
4.2. Замеряемые величины и измерительные приборы. Погрешность измерений 42
4.3. Методика проведения исследований и обработки экспериментальных данных. Результаты исследований 48
4.4. Сравнение с результатами теоретического исследования 55
4.5. Использование результатов исследования в практике проектирования и совершенствования регулируемых турбокомпрессоров - 55
Основные результаты и выводы 62
Литература
- Способы регулирования турбонаддува двигателей внутреннего сгорания
- Регулируемый безлопаточный направляющий аппарат
- Разработка малоразмерного турбокомпрессора с парциальным регулированием турбины
- Методика проведения исследований и обработки экспериментальных данных. Результаты исследований
Введение к работе
Турбонаддув в настоящее время рассматривается как неотъемлемая составная часть современных двигателей внутреннего сгорания с высокими удельными показателями. Турбокомпрессор обеспечивает подачу воздуха в цилиндры двигателя с плотностью, превышающей плотность окружающей среды. Это позволяет пропорционально увеличению воздуха увеличить количество сжигаемого топлива и, следовательно, мощность двигателя.
Достичь высоких удельных показателей комбинированных ДВС, имеющих широкий диапазон рабочих режимов, удается только на определенном расчетном режиме в виду рассогласования характеристик воздухоснабжения турбокомпрессора и поршневой части. Поэтому режимы работы турбокомпрессора влияют на диапазон режимов работы самого ДВС. Для судовых двигателей или для двигателей электрических установок, работающих с постоянной нагрузкой и частотой вращения, согласование режима работы турбокомпрессора не представляет особых трудностей - требуется лишь согласование количества воздуха, необходимого для развития двигателем номинальной мощности. Для автомобильных и тракторных двигателей с малоразмерным турбокомпрессором, работающих в широком диапазоне как скоростных, так и нагрузочных режимов, трудно обеспечить полезное взаимодействие обоих агрегатов. Поэтому при работе турбонаддувного двигателя на частичных режимах наличие турбокомпрессора в газовоздушном тракте приводит к ухудшению его эксплуатационных характеристик и увеличению удельного эффективного расхода топлива.
Одним из перспективных путей решения данной проблемы является регулирование турбонаддува. Однако на сегодняшний день отсутствуют достоверные данные о КДВС с высокоэффективными и, в то же время, высоконадежными в конструктивном исполнении способами регулирования. Известные способы регулирования турбины с безлопаточным направляющим аппаратом (БНА) в настоящее время недостаточно исследованы, они находятся в основном
8 на стадии авторских свидетельств и патентов на изобретения.
Целью настоящей работы явились разработка и исследование турбины малоразмерного турбокомпрессора с расширенным диапазоном эффективной работы за счет установки парциальной заслонки* на входе газа в БНА.
Научная новизна:
1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возмож
ность расширения диапазона эффективной работы турбины малоразмерного
турбокомпрессора за счет:
установки подвижной парциальной заслонки на входе газа в БНА с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оси вращения ротора турбины;
специального закона изменения проходных сечений БНА турбины.
Впервые разработан малоразмерный турбокомпрессор с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины (патент 2131981 РФ).
Впервые установлена экспериментальная зависимость располагаемой работы турбины от угла поворота парциальной заслонки.
Впервые предложена методика проектирования малоразмерного турбокомпрессора с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины.
Практическая значимость работы: 1. Малоразмерный турбокомпрессор с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины позволяет по сравнению с нерегулируемым турбокомпрессором:
уменьшить удельный эффективный расход топлива на частичных режимах работы КДВС;
повысить среднее эффективное давление на режиме максимального крутящего момента КДВС;
расширить скоростной диапазон работы КДВС.
* Под термином "парциальная заслонка" подразумевается заслонка, которая при повороте изменяет степень парциальности радиально-осевой турбины.
9 2. Предложенная методика проектирования малоразмерного турбокомпрессора с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины позволяет произвести расчетные исследования малоразмерного турбокомпрессора на стадии проектирования или дальнейшего совершенствования.
Практическая реализация.
Результаты исследования используются в НТЦ Горьковского автомобильного завода и в КБ по турбонаддуву ОАО "Алтайдизель" при проектировании новых двигателей, а также при доводке серийно выпускаемых двигателей с турбонаддувом.
Методы и объекты исследований.
В работе использовались экспериментальные методы исследований двигателей ГАЗ-542Н (ОАО "ГАЗ"), Д-442 (ОАО "Алтайдизель"), ЗИЛ-645 (АМО "ЗИЛ"), СМД-41 (завода "Серп и Молот", Украина), ЗД23 (завода "Трансмаш", г.Барнаул) и 6ЧН12/14 (завода "Юждизельмаш", Украина). Базой при разработке и исследованиях регулируемого малоразмерного турбокомпрессора служил нерегулируемый турбокомпрессор ТКР-7Н-1 (ОАО "КамАЗ").
Способы регулирования турбонаддува двигателей внутреннего сгорания
При повороте лопаток ЛНА изменяются: - проходные сечения (горла решетки а на рис. 1.2), что приводит к изменению степени расширения в ЛНА Р\1РТ , соответственно, к изменению абсолютной скорости потока на выходе из ЛНА с\ согласно уравнения [46]: = h . т = \ —.R .т Г кг-\ ( Р Л г 1 \Рт J (1.1) - угол выхода газа из ЛНА ct\, который определяется [33]: c =arcsiriK: — з (1.2) где к - экспериментальный коэффициент, зависящий от геометрических параметров решетки и режима работы двигателя. Изменение угла а\ приводит к изменению тангенциальной составляющей Ciu скорости С\ (см.рис.1.2).
В соответствии с формулой Эйлера работа на окружности колеса Lu определяется как произведение крутящего момента турбины Мкрмурб. на угловую скорость со рабочего колеса [20]: 4 = МкР.туТб. -(0=Ux-CXu-U2- С2и . (1.3) Мощность турбины [11]: NT = LU-Gr. (1.4) ось поборота, лопаток Рис. 1.2. Поворотные лопатки ЛНА турбины 15 Таким образом, изменяя угол поворота лопаток ЛНА можно регулировать мощность турбины, соответственно, расход воздуха через двигатель.
По мнению многих авторов [34,48,49,59], при использовании поворотных лопаток ЛНА, можно регулировать расход воздуха в широком диапазоне рабочих режимов двигателя при относительно (по сравнению с другими способами регулирования) незначительных ухудшениях КПД турбины. Однако при использовании в малоразмерных турбокомпрессорах возникают трудности технического характера, например, трудно обеспечить надежную работу в течении длительного времени, когда турбина подвергается действию высоких температур и коррозии отработавших газов. К тому же, конструкция получается сложной и дорогой.
Для изменения площадей проходных сечений БНА обычно применяют поворотные заслонки (см.рис.1.3а,б) и подвижные профилированные перегородки (см.рис.1.3в,г) [34,37,40].
Изменение положения поворотных заслонок и профилированных перегородок приводит к изменению проходных сечений БНА турбины и, соответственно, согласно формул (1.1)-(1.4), к изменению мощности турбины и расхода воздуха через двигатель.
Результаты исследований [49] показывают, что при применении поворотной заслонки на рис. 1.3а уменьшение расхода до 30% приводит к снижению КПД турбины до 20%.
Основной трудностью применения способов регулирования с помощью подвижной профилированной перегородки [15], меняющей проходное сечение БНА (рис.1.4.в,г) является обеспечение надежности механизма привода регулирующего устройства. Для перемещения регулирующей перегородки необходимо иметь вывод штока из камеры направляющего аппарата, что требует слож 16
Изменение площади проходного сечения БНА турбины ной системы уплотнений, а при отложении нагара значительно снижается надежность регулирования. В связи с этим такие способы регулирования не нашли распространения.
Регулируемый безлопаточный направляющий аппарат
Автором высказана научная гипотеза о том, что в малоразмерных турбокомпрессорах возможно расширить диапазон эффективной работы турбины за счет установки подвижной парциальной заслонки на входе газа в специально профилированный БНА турбины. Эта гипотеза основывается на следующих предпосылках:
Во-первых, был рассмотрен БНА турбины, в котором на входе газа установлена поворотная заслонка (рис.2.3).
Течение газа в выпускной системе КДВС имеет сложный пространственный характер. Разработки точных методов расчета сопряжены с большими трудностями [31,32]. Поэтому для упрощения расчетов введены следующие допущения: - газ идеальный; - газ несжимаемый; - распределение параметров потока на выходе из БНА равномерное; - параметры потока на входе в БНА и в каждом сечении улитки постоянны. На рис.2.3 видно, что срг #V=— (2.5)
Из уравнения сохранения момента количества движения имеем [59]: Г0Сои = Г(рС(ри = Г1С1и. (2.6) Из уравнения неразрывности [4]: К сои = F pc pu = 2nhi г і clr. (2.7) После несложных преобразований получаем соотношение: a,=arctS г02яй, =arc,g г ж-ф, =comt (28) Следовательно, при повороте заслонки на угол (р значение угла выхода газа из БНА ot\ можно сохранять в пределах расчетного значения, а степень парциальности турбины будет равна s = 3- t. (2.9) 360 v Соотношение (2.8) получено с вышеуказанными допущениями. Для реальных условий необходимо экспериментально определить F p и г9 БНА по периметру улитки (т.е. профилировать БНА турбины) с целью сохранения угла выхода газа из БНА щ в пределах расчетного значения.В работе [14] отмечено,
Зависимость КПД радиально-осевой турбины TJT =/(щ/сад) при различной степени парциальности є [49] что угол выхода газа из БНА (т.е. при отсутствии решетки ЛНА) можно принять равным углу входа газа в рабочее колесо турбины.
Во-вторых, был проведен анализ потерь в БНА. Как в нерегулируемой, так и регулируемой парциальной заслонкой турбинах будут потери, такие как [8,10,12,13,16]: - потери в БНА и межлопаточном пространстве рабочего колеса из-за трения в пограничном слое и вторичных течений; - потери из-за трения частиц газа между кожухом турбины и тыльной стороны рабочего колеса; - потери из-за утечек газа через зазоры корпуса турбины.
В нерегулируемой турбине будут потери из-за отклонения угла а\ от расчетного значения. Результаты работ многих исследователей [2,3,14,60] показывают, что при работе автомобильных двигателей с турбонаддувом значение угла а\ колеблется в пределах 17-30. Причем на частичных режимах работы двигателя значение угла а.\ увеличивается. На рис.2.4 представлено влияние угла а.\ на КПД радиально-осевой турбины [35]. При этом отмечается, что характер изменения КПД турбины от угла а\ при разных %ад —их1 сад практически идентичен. На рис.2.4 видно, что при отклонении угла а\ до 30 КПД турбины снижается до 13%.
В-третьих, при регулировании турбины парциальной заслонкой потери из-за отклонения угла а\ будут отсутствовать, т.к. угол а\ сохраняется в пределах расчетного значения согласно уравнения (2.8). Однако в регулируемой парциальной заслонкой турбине будут потери из-за парциальности. Например, предположим, что для работы двигателя на режиме максимального крутящего момента с сохранением значения угла а\ в пределах расчетного значения необходимо повернуть заслонку на угол (р= 60 в сторону перекрытия проходного сечения турбины и степень парциальности согласно (2.9) составит 360-60 Л 00 є = = 0,83. 360 На рис.2.5 представлена в виде аппроксимированной линии изменение КПД турбины 7]т от Хад — и\ I ссд при степени парциальности =0,83 (пунктирная линия), наложенная на экспериментальные данные [49]. На рис.2.5 видно, что КПД турбины при этом снижается до 4%.
Следовательно, при регулировании турбины парциальной заслонкой можно ожидать расширения ее диапазона эффективной работы при менее значительном снижении КПД по сравнению с нерегулируемым вариантом.
Разработка малоразмерного турбокомпрессора с парциальным регулированием турбины
Разработанный малоразмерный турбокомпрессор с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины представлен на рис.3.2.Парциальная заслонка 1 жестко соединена с передаточным валом 4, который установлен в корпусе 5 малоразмерного турбокомпрессора параллельно оси вращения ротора турби-ны 7. Передаточный вал 4 со стороны компрессора 6 жестко соединен с рычагом 8, размещенным в выемке 9 промежуточного корпуса 5 и шарнирно связанным со штоком 10 регулирующего механизма 11. Причем регулирующий механизм 11 расположен с внешней стороны корпуса малоразмерного турбокомпрессора. Необходимо отметить, что выполненная таким образом конструкция имеет следующие преимущества: - выбрав соответствующим образом ось поворота парциальной заслонки, можно обеспечить закон изменения проходных сечений БНА турбины согласно зависимости (3.2); - узел поворота (передаточный вал 4 и отверстие в корпусе 5) подвержен минимальным температурным нагрузкам вследствие того, что корпус 5 охлаждается маслом при смазывании подшипника скольжения ротора малоразмерного турбокомпрессора; - на передаточный вал 4 действуют осевые усилия от давлений со стороны компрессора и турбины, которые примерно одинаковы, вследствие чего передаточный вал 4 разгружается от осевых усилий; - передаточный вал 4 выполняется минимального диаметра исходя из условия прочности конструкции, поэтому менее подвержен заклиниванию из-за объемных температурных расширений; - выбрав соответствующим образом длины рычагов 3 и 8, можно улучшить динамику регулирования (т.е. быстроту реагирования на сигнал регулирующего механизма).
Малоразмерный турбокомпрессор работает следующим образом: при уменьшении расхода газа через турбину 7, регулирующий механизм 11 через передаточный вал 4 поворачивает заслонку 1 в сторону уменьшения площади начального проходного сечения Fo БНА (в сторону увеличения парциальности) турбины, а при увеличении расхода газа через турбину 7 - регулирующий механизм 11 через передаточный вал 4 поворачивает заслонку 1 в сторону увеличения площади начального проходного сечения Fo БНА (в сторону уменьшения парциальности) турбины. Угол поворота заслонки 1 изменяется в пределах р=0+60 (см.рис.3.2). При этом степень парциальности изменяется согласно (2.9) в пределах є= 1ч-0,83, а площадь начального проходного сечения турбины согласно (3.2) - Fo = 12-Т-8 см . Разработанный малоразмерный турбокомпрессор с регулируемым БНА турбины защищен патентом на изобретение [21].
Регулирующим механизмом 11 могут служить гидро-, пневмо- и электроприводы.
В частности, для регулирования положением заслонки был предложен регулирующий механизм [21], конструктивная схема которого представлена на рис.3.3. Сжатый воздух подается в нижнюю подмембранную полость 1 и до достижения определенного значения избыточного давления шток 2 удерживается усилием пружины 3. При этом положении заслонки площадь FQ имеет минимальное значение (линия АВ на рис.3.4). Как только давление наддува превысит определенное значение избыточного давления, шток 2 перемещается и сжатый воздух подается в верхнюю подмембранную полость 4. Ввиду того, что площадь верхней подмембранной полости 4 больше, чем нижней, усилие от давления наддува увеличивается, шток 2 перемещается вверх, что в свою очередь приводит к повороту парциальной заслонки в сторону увеличения FQ БНА турбины (линия ВС на рис.3.4). Таким образом, данный регулирующий механизм регулирует расход воздуха по значениям одного параметра - давления наддува, что позволяет повысить среднее эффективное давление на режиме максимального крутящего момента, но не улучшает удельный эффективный расход топлива на частичных режимах работы КДВС.
Целью исследования явилось определение значений необходимого расхода воздуха (значений Fo БНА турбины), при которых обеспечиваются снижение удельного эффективного расхода топлива во всем диапазоне рабочих режимов КДВС и повышение среднего эффективного давления на режиме максимального крутящего момента.
Объектом исследования служил малоразмерный турбокомпрессор с парциальным регулированием турбины (описанный в главе 3), проходные сечения БНА которого профилировались согласно зависимости (3.2).
Эксперименты проводились на двух КДВС (автомобильном двигателе ГАЗ-542Н и тракторном двигателе Д-442) в сравнении с результатами, полученными с нерегулируемым турбокомпрессором ТКР-7Н-1, проходные сечения БНА которого также профилировались согласно (3.2).
В качестве регулирующего механизма был применен электромеханизм МПК-13А (см.рис.4.1). На корпус электромеханизма установлен угломер 2, а на вал 3 электромеханизма 1, приводящего в действие шток 4 поворотной заслонки турбины, установлена стрелка 5, положение которой соответствовало определенному значению угла поворота заслонки (р. В опытном исследовании начальное проходное сечение изменялось в диапазоне /у= 12- 8 см2, что соответствовало углу поворота заслонки т=0-г60.
Методика проведения исследований и обработки экспериментальных данных. Результаты исследований
Это обусловлено тем, что мощность турбины мала из-за низкого перепада давлений отработавшего газа, соответственно, мощность компрессора недостаточна для обеспечения количеством воздуха на данных режимах работы двигателя. При регулировании, т.е. при уменьшении начального проходного сечения Fo турбины, увеличивается давление перед турбиной, что приводит к увеличению давления наддува и количества воздуха для более полного сгорания подаваемого топлива и снижается удельный эффективный расход топлива; - при уменьшении начального проходного сечения турбины на режиме максимального крутящего момента двигателя увеличивается количество воздуха и появляется возможность увеличить количество топлива на данном режиме. Это позволяет повысить среднее эффективное давление и сместить максимум крутящего момента в сторону низких частот вращения коленчатого вала двигателя.
В итоге можно отметить, что в КДВС при применении малоразмерного турбокомпрессора с регулируемым БНА турбины: - уменьшается удельный эффективный расход топлива на частичных режимах; - повышается среднее эффективное давление на режиме максимального крутящего момента; - расширяется скоростной диапазон работы.
Проведенные исследования позволили также определить начальные проходные сечения F0 БНА турбины, обеспечивающие минимальные значения удельного эффективного расхода топлива при работе КДВС во всем диапазоне рабочих режимов. Линии постоянных значений F0 БНА нанесены на многопараметровой характеристике (см.рис.4.5 и 4.6). Необходимо отметить, что для получения в эксплуатационных условиях F0 БНА, обеспечивающих минимальный удельный эффективный расход топлива во всем диапазоне рабочих режимов КДВС, нужно регулировать положение парциальной заслонки по значениям двух параметров: частоты вращения коленчатого вала и среднего эффективного давления (крутящего момента).
Результаты исследований показали, что регулирование турбины за счет парциальной заслонки влияет на протекание рабочего процесса двигателя с наддувом и появляется возможность повысить воздухоснабжение цилиндров, особенно на частичных режимах работы двигателя.
На рис.4.7 представлена зависимость изменения расхода воздуха двигателя ГАЗ-542Н при регулировании парциальной заслонкой в сравнении с расчетным расходом воздуха, который был определен в главе 2 (см.рис.2.2). Из анализа рис.4.7 видно, что расход воздуха КДВС при регулировании изменяется по частоте вращения коленчатого вала также, как и изменение расхода воздуха безнаддувного двигателя, но только при более высоких значениях. Разность этих расходов (AGBHa рис.4.7) определяет степень форсированности данного двигателя.
По результатам экспериментального исследования малоразмерного турбокомпрессора с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины на двигателях ГАЗ-542Н и Д-442 определена зависимость располагаемой работы турбины ALTS от угла поворота заслонки ф, которая представлена на рис.4.8.
Погрешность определения ALTS составляла 3,3%. В результате обобще ния опытных данных получена зависимость ALTS от угла ф в виде: ALra = 1+0,0161ф - 0,00011ф2. (4.22) Полученные экспериментальные данные при исследовании двигателей ГАЗ-542Н и Д-442 показали, что зависимость (4.22) для различных двигателей идентична.
Многочисленные работы других авторов, в частности [44], показали, что существующие турбины работают в автомодельной области по числу Re. В ра-диально-осевых турбинах в соответствующих точках проточной части разных типоразмеров скорости течения газов примерно одинаковы. Следовательно, происходящие в них процессы подобны и результаты исследования, обобщенные зависимостью (4.22), можно распространить на другие турбокомпрессоры поГОСТ9658-81 (см.рис.4.9).
Исходя из вышесказанного, предлагается методика проектирования малоразмерного турбокомпрессора с регулируемым парциальной заслонкой турбины. Методика включает два этапа проектирования. 1 этап: - уточняется диапазон работы КДВС с регулированием турбонаддува, например, от режима номинальной мощности до режима максимального крутящего момента;
