ПОДБОР ГАЗОТУРБОНАГНЕТАТЕЛЯ ДЛЯ ДВС

3.1. Выбор турбокомпрессора по исходным параметрам дизеля

Исходными параметрами для подбора газотурбонагнетателя к проектируемому дизелю является значение:

- суммарного объемного расхода воздуха Qв = Gв · (R· Tо / ρо · 10000) = 29,3 · 293 / 1,03 · 10000 = 0,834 · Gв, (м³/сек);

- степени повышения давления в компрессоре πк = Рв/Ро, отношение давления воздуха за компрессором к давлению перед компрессором.

Прежде всего, необходимо обосновать выбор системы газотурбинного наддува с постоянным или переменным делением газов, с учетом достоинств и недостатков, особенности конструкции, степени наддува, назначения и условий работы дизеля.

Число турбокомпрессоров в случае применения системы с переменным давлением газа перед турбиной определяется количеством цилиндров и тактностью.

Если принята система постоянного давления газов, то необходимый расход воздуха можно обеспечить одним, двумя или несколькими турбокомпрессорами (ТК). При этом следует учитывать мощность дизеля, число и схему расположения цилиндров, тактность, степень наддува, назначение и условия размещения дизеля в машинном помещении. Один мощный ТК позволяет получить более высокий КПД, чем два или несколько малых, но последние более выгодны при необходимости обеспечения хорошей приемистости, хотя этот выигрыш достигается за счет усложнения установки. Если приемистость и допустимые габариты не являются лимитирующими факторами, то предпочтительнее устанавливать ТК с более высоким КПД.

Если на дизель устанавливается несколько турбокомпрессоров, то суммарный расход воздуха ∑ Qв делится на число турбокомпрессоров. Для подбора типоразмера турбокомпрессора используются графики поля расхода воздуха Qв в зависимости от степени повышения давления компрессора πк рядов ТК и ТКР, представленных на рис. 3.1. Так как расходные поля смежных типоразмеров перекрывают друг друга, то при заданных значениях πк и Qв (Qв = 0,834 · Gв) возможен выбор нескольких компрессоров.

Таким образом, в зависимости от сочетания πк и Qв может представиться возможность выбора двух турбокомпрессоров одного ряда или разных рядов. При выборе одного из двух турбокомпрессоров одного ряда следует учитывать вышесказанное относительно влияния размеров турбокомпрессора на КПД и приемистость. Кроме того, должно приниматься во внимание расположение подшипников (рис. 3.2), необходимости применения соплового регулирования, быстроходности дизеля, степени запыленности окружающего воздуха, достоинств и недостатков осевых и радиальных турбин (см. ниже). Целесообразно выбирать данный турбокомпрессор также в том случае, если расчетная точка лежит вблизи границы допустимого поля расходов.

Далее производиться расчет компрессора и газовой турбины в соответствии с выбранным типоразмером турбокомпрессора и заданными параметрами, проектируемого ДВС. Рациональность подбора агрегатов наддува оценивается после согласования характеристик турбины и компрессора с гидравлической (расходной) характеристикой дизеля.

Рис. 3.1 Типоразмеры ТКР и ТК в зависимости от πк и Qв (Qв = 0,834 · Gв)

Для транспортных дизелей характеристика компрессора должна обеспечивать высокие значения КПД в возможно более широком диапазоне оборотов коленчатого вала. Для приведения характеристики турбокомпрессора в соответствие с расходной характеристикой дизеля в пределах данного типоразмера прибегают к изменению сечения соплового аппарата, высоты и профиля входной кромки рабочих лопаток газовой турбины, сечения диффузора компрессора, диаметра колеса компрессора, профиля улитки и других конструктивных элементов турбокомпрессора. Кроме того, подобные изменения могут быть проведены при обеспечении баланса мощностей турбины и компрессора, если расхождение превышает 3%.

Улучшение проточной части турбин и компрессора, а также систем выпуска и наполнения дизеля позволяет повысить КПД турбокомпрессоров на 5 – 10%. До 7% можно повысить КПД компрессора за счет применения лопаточного диффузора, но при этом следует помнить об ухудшении эксплуатационных свойств вследствие необходимости более частой чистки проточной части и роста уровня шумности работы компрессоров.

Повышение КПД турбокомпрессора позволяет улучшить воздухоснабжение дизеля, повысить его экономичность и расширить область эффективного применения газотурбинного наддува.

3.2. Классификация и особенности осевых и радиальных газовых турбин

В дизелестроении газовые турбины, применяемые в системе наддува, классифицируются следующим образом

1. По направлению газового потока: осевые и радиальные.

2. По характеру расширения газа активные и реактивные.

3. По числу ступеней: одноступенчатые и многоступенчатые (в наддуве, как правило, применяются одноступенчатые).

4. По конструктивному исполнению соплового аппарата (регулируемые и нерегулируемые).

5. По условиям работы (турбины, работающие в равномерном и пульсирующем потоке).

Ряды и схемы газотурбонагнетателей (ГТН)

В настоящее время в дизелестроении применяются различные газотурбонагнетатели.

В российском дизелестроении для унификации турбокомпрессоров при их массовом специализированном производстве Центральным научно-исследовательским дизельным институтом (ЦНИДИ) разработаны типоразмерные ряды турбокомпрессоров (ТК и ТКР).

Ряд ТК представляет собой сочетание осевой турбины и центробежного компрессора. Он включает следующие основные типоразмеры: ТК-18; ТК-23; ТК-30; ТК-38; ТК-50; ТК-64.

Ряд ТКТ представляют собой сочетание радиальной центростремительной турбины и центробежного компрессора. Типоразмеры: ТКР-7; ТКР-8,5; ТКР-11; ТКР-14; ТКР-18; ТКР-23.

Каждый из указанных типоразмеров турбокомпрессоров делиться на три исполнения в зависимости от степени повышения давления воздуха в компрессоре: Н – низкого давления (πк = 1,3 – 1,9); С – среднего давления (πк = 2,0 – 2,9); В – высокого давления (πк = 2,6 – 3,5).

Могут применяться также несколько модификаций данного типоразмера, отличающиеся конструктивными особенностями проточной части турбины и компрессора, расположением корпусных деталей и способом крепления турбокомпрессора к двигателю. Условное обозначение турбокомпрессора ТКР-18С-8: турбокомпрессор с радиальной турбиной, размер колеса компрессора 18 см, исполнение среднего давления, номер модификации 8. ТК-23Н-1211: турбокомпрессор с осевой турбиной, размер колеса компрессора 23 см, исполнение низкого давления, номер модификации 1211. Основные параметры, перечисленных турбокомпрессоров указаны в таблице 3.1.

Газотурбонагнетатель представляет собой единый агрегат, объединяющий газовую турбину и компрессор. Роторы турбины и компрессора располагаются на одном валу. В зависимости от особенностей конструкции и типа газовой турбины, компрессора, их взаимного размещения и расположения подшипников могут применяться различные схемы компоновки роторов и подшипников ГТН.

На рис. 3.2 схематично изображены наиболее часто принимаемы схемы.

Схема 3.2.1 и 3.2.2 – сочетание радиальной турбины и центробежного компрессора при расположении подшипников 3.2.1 между роторами и 3.2.2 по концам вала.

Рис. 4.2 Схемы расположения подшипников на газотурбонагнетателях

Таблица основных характеристик российских турбокомпрессоров по ГОСТ 9658-66

Таблица 3.1

Таблица основных характеристик некоторых турбокомпрессоров иностранного производства

Таблица 3.2

Рис. 4.3 Схема и фотографии газотурбонагнетателей

Достоинства и недостатки осевых и радиальных турбин

Преимущества осевых турбин по сравнению с радиальными:

1. Высокий КПД при повышенных расходах газа и диаметрах рабочего колеса (d ≥ 180 мм);

2. Меньшие окружные скорости при равных оборотах вала вследствие применения рабочего колеса меньших размеров для достижения одинаковых мощностей;

3. Лучшая вибрационная мощность рабочих лопаток, что особенно важно при использовании потока газов с переменным давлением перед сопловым аппаратом;

4. Легкость ротора и простота конструкции корпуса турбины.

Недостатки осевых турбин:

1. Меньший КПД при малых размерах рабочего колеса;

2.Сложность конструктивного выполнения системы регулирования соплового аппарата.

Преимущества радиальных центростремительных турбин (по сравнению осевыми):

1. Больший КПД турбины при относительно малых расходах газа (Gг < 2 м³/сек);

2. Простота конструкции и надежность рабочего колеса, выполняемого в виде единой отливки;

3. Возможность выполнения регулируемого соплового аппарата по сравнительно простой конструктивной схеме;

4. Возможность получения равных мощностей при меньшем числе оборотов.

Недостатки радиальных центростремительных турбин:

1. Повышенные размеры рабочего колеса, что приводит к росту окружной скорости при равном числе оборотов и к снижению надежности и срока службы подшипников;

2. Сравнительно низкий КПД при больших расходах газа и мощности турбины.

Осевые турбины применяются, как правило, в тех случаях, когда необходимо обеспечить значительные расходы газа и мощности при большом сроке службы. Радиальные центростремительные турбины целесообразно использовать для малых расходов газа и мощностей.

3.3. Системы газотурбинного наддува

Системы газотурбинного наддува делятся на группы:

Низкого наддува;

Среднего наддува;

3. Высокого наддува.

В группе низкого наддува степень повышения давления πк = (Рв/Ро) = 1,3 – 1,9. Применение низкого наддува не приводит к конструктивным изменениям дизеля и не влияет существенно на его пусковые качества. Экономичность ДВС, оборудованных системами низкого наддува, по сравнению с базовыми дизелями без наддува увеличивается в среднем на 7 – 10%; удельная масса уменьшается в отношении, примерно пропорциональном увеличению их мощности. Благодаря простоте и достаточной эффективности данная система применяется на главных и вспомогательных двигателях.

Группа систем среднего наддува πк = 1,9 – 2,5 представляет собой дальнейшее развитие систем низкого наддува; мощность дизеля в этом случае по сравнению с базовой моделью повышается примерно на 50%. Экономичная работа дизеля достигается при этом лишь при повышенных значениях максимального давления сгорания рmax, что вызывает необходимость увеличения прочности деталей КШМ.

Группу систем высокого наддува πк = 2,5 – 3,5 применяют, как правило, в ВОД. В этом случае объектом специального проектирования является не только КШМ, но и система охлаждения дизеля, в котором рmax может доходить до 15 МПа.

Каждую из указанных групп наддува применяют в соответствии с типом и назначением дизелей. Так, МОД с большим ресурсом часто оборудуют системами низкого наддува πк = 1,35 – 1,5, ВОД с ограниченными показателями по массе и габаритам – системами среднего и высокого наддува πк = 2,0 – 3,0.

По способу подвода газа к турбинам применяют следующие схемы:

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: