РАДИАЛЬНАЯ ИМПУЛЬСНАЯ ТУРБИНА НАДДУВА ДИЗЕЛЯ Российский патент 1998 года по МПК F01D1/22 F01D7/00 F02B37/00 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в турбокомпрессорах для наддува изделия.

Известна радиальная импульсная турбина наддува дизеля, содержащая корпус, расположенные в нем рабочее колесо и сопловой аппарат и подключенные к последнему два изолированных газоподводящих канала, один из которых выполнен конфузорным по направлению вращения колеса, а другой выполнен с постоянным сечением [1].

Недостаток этого решения - существенная зависимость КПД турбины от параметров пульсирующего потока на ее входе.

Известна радиальная импульсная турбина для наддува дизелей, содержащая рабочее колесо, сопловой аппарат и подключенные к нему газоподводящие каналы, причем лопатки соплового аппарата выполнены поворотными и они кинематически связаны с коленчатым валом двигателя, при этом угол колебаний лопаток в зоне подвода соответствует газодинамическим параметрам газа в данный момент вращения коленчатого вала [2].

Недостаток этого технического решения - конструктивная сложность, вследствие необходимости обеспечения каждой лопатки соплового аппарата индивидуальным механизмом поворота при синхронизации углов поворота лопаток друг с другом. Кроме того, колебательный режим работы лопаток, приводящий к появлению знакопеременных нагрузок, также снижает рабочий ресурс соплового аппарата и его надежность в работе.

Известна также радиальная импульсная турбина наддува дизеля, содержащая рабочее колесо и сопловой аппарат с подключенным к последнему газоподводящими каналами, снабженными органами перекрытия и связанными с газовыпускными каналами, объединяющими выпускные клапаны цилиндров с неперекрывающимися фазами работы [3].

Недостаток этого технического решения-недостаточно высокая степень использования энергии выхлопных газов. Кроме того, циклический режим работы поворотных лопаток снижает надежность и работоспособность устройства.

Задача, на решение которой направлено заявленное решение, выражается в повышении полноты использования энергии выхлопных газов.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении КПД турбины.

Кроме того, имеет место снижение затрат энергии на осуществление операций регулирования параметров газового потока, поскольку заявленная компоновка перекрывающего органа, обеспечивает компенсацию сил сопротивления повороту лопатки, действующих на одну ее часть, давлением на поверхность второй половины лопатки. Кроме того, поскольку режим лопатки работы самой лопатки перестает быть пульсирующим (в смысле нагрузок, возникающих в ее элементах) обеспечивается повышение работоспособности и долговечности поворотной лопатки.

Поставленная задача решается тем, что радиальная импульсная турбина наддува изделия, содержащая рабочее колесо и сопловой аппарат с подключенными к последнему газоподводящими каналами, снабженными органами перекрытия и связанными с газовыпускными каналами, объединяющими выпускные клапаны цилиндров с неперекрывающимися фазами работы, отличается тем, что органы перекрытия выполнены в виде перекрывающих лопаток, зафиксированных на валах, установленных с возможностью вращения в каждом газоподводящем канале, с возможностью полного перекрытия последних, при этом валы лопаток зафиксированы в кинематической связи с коленчатым валом дизеля так, чтобы лопатки были сориентированы вдоль газоподводящих каналов синхронно, по углу поворота коленчатого вала, с первой половиной фазы открытия каждой группы выпускных клапанов, дизеля и соответственно поперек газоподводящих каналов синхронно, по углу поворота коленчатого вала во второй половине фазы открытия выпускных клапанов двигателя.

Кроме того, продольные оси валов перекрывающих лопаток размещены перпендикулярно продольной оси газоподводящего канала, параллельно кромкам лопаток соплового аппарата, при этом кромки перекрывающих лопаток параллельны кромке лопатки соплового аппарата и составляют допустимый по условию свободного прохода перекрывающих лопаток зазор с поверхностью лопаток соплового аппарата, обращенной к набегающему газовому потоку, для чего ось вращения перекрывающих лопаток смещена на 0 - 5^o в сторону набегающего потока газов относительно радиуса, проведенного через ось вращения рабочего колеса турбины и наиболее выступающую в направлении набегающего потока кромку лопатки соплового аппарата, у которой размещена перекрывающая лопатка.

Сравнение признаков, известных и заявленного решений, свидетельствует о соответствии заявленного технологического решения критерию"Новизна".

Признаки отличительной части первого пункта формулы изобретения обеспечивают возможность периодического перекрытия - открытия газопроводящего канала при работе самой перекрывающей лопатки в постоянном (установившемся режиме) и тем самым снизить затраты энергии на регулирование параметров газового потока и кроме того, повысить степень использования энергии выхлопных газов.

Признаки второго пункта формулы изобретения конкретизируют параметры узлов турбины и их взаимное расположение (перекрывающих лопаток и лопаток соплового аппарата) в пространстве.

На фиг. 1 схематически показан поперечный разрез турбины; на фиг. 2 - зависимость давления выхлопных газов от угла поворота коленчатого вала дизеля.

На фиг. показаны цилиндр 1 дизеля, коленчатый вал 2, впускные органы 3, выпускные органы 4, соединенные газовыпускными каналом 5 с корпусом импульсной турбины 6, содержащей рабочее колесо 7, лопатки 8 соплового аппарата, в газовыводящих каналах 9 которого установлены перекрывающие лопатки 10, вал 11 которых связан кинематической передачей 12 с коленчатым валом 2.

Радиальная импульсная турбина работает следующим образом.

По окончании рабочего хода открываются выпускные органы 4 цилиндра 1, в первой фазе выпуска давление газа, например, в правом газоподводящем канале 9 импульсной турбины 6 достигает максимума, перекрывающую лопатку 10, коленчатый вал 2 (через кинематическую передачу 12, включающую шестерню, зубчатую передачу, валы, гибкую передачу) устанавливают вдоль газоподводящего канала 9. Отработанный газ поступает во все межлопаточные каналы соплового аппарата. Во второй половине фазы открытия выпускного органа 4 (частично совпадающей с первой половиной фазы открытия впускных органов 3) давление газа в этом же (правом) газоподводящем канале 9 значительно снижается и удерживается в течение десятков градусов угла поворота коленчатого вала. Коленчатый вал 2 кинематической связью 12 устанавливает перекрывающую лопатку 10 в положение, перпендикулярное оси газоподводящего канала 9. Часть межлопаточных каналов соплового аппарата перекрываются, газ на рабочее колесо 7 поступает через непрекрытые каналы.

При подходе к газоподводящему каналу 9 максимального импульса (точки "а" на фиг. 2) полностью открытый сопловой аппарат 8 преобразует максимальную тепловую энергию потока, имеющего наибольшее количество газа. При подходе минимального импульса (точка "а") энергия и расход газа становятся минимальными, частичное перекрытие обеспечивает располагаемой работы газов Hr и мощности турбины. Это подтверждается известной формулой:

где G_т - расход газа, ρ₂ - плотность газа, μF - пропускная способность. При уменьшении пропускной способности располагаемая работа газов и мощность турбины увеличиваются во второй степени (см. книгу Турбокомпрессоры для наддува дизелей. Справочное пособие. Байков Б.П. и др. Л, 1975, с.175). При перекрытии части межлопаточных каналов соплового аппарата в пределах минимального импульса мощность турбины, как показывает формула, возрастает.

Совмещение фазы перекрытия газоподводящего канала 9 и соплового аппарата 8 достигается подбором частоты вращения перекрывающей лопатки 10. Например, двигатель имеет четыре цилиндра (фиг. 1), выпуск каждой пары объединен в один газоподводящий канал 9. Частота пульсаций газа перед газоподводящим каналом (f_n).

n_дв - частота вращения коленчатого вала, Z_ц - число цилиндров, К - число групп цилиндров, подсоединенных к газоподводящему каналу, τ - коэффициент тактности (τ = 2 для четырехкратного двигателя).

Для четырехкратного двигателя, имеющего n_дв = 2O 1/2 (частота пульсаций в одном газоподводящем канале 9 турбины 6.

В приведенном примере частота пульсаций f_n = 20. Необходимо обеспечить соответственно 20 открытий и перекрытий соплового аппарата. Если лопатка симметрична, как показано на фиг. 1, то она должна вращаться с частотой 10 оборотов в секунду (10 1/с), если - нет, то должна совершать колебательные движения с частотой 20 1/с.

Потери на обтекание кромок поворотных лопаток, направленных к сопловому аппарату, могут быть вызваны вихреобразованием и могут составить небольшую часть от выигрыша. Например, при скорости движения газа С относительно кромки, определяемой расходом G, потери могут составить

ξ = 0,1 - 0,15 - коэффициент кромочных потерь (Локай В.И. и др. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов . М, 1979, с. 76, рис. 4, 12).

Поскольку ξ < 1 то выигрыш в мощности турбины вполне реален. Дополнительные потери на вентиляцию, которые увеличиваются с уменьшением степени впуска ε, также не перекрывают выигрыш в мощности. Например, при уменьшении ε на 0,2 - 0,3 мощность уменьшится на ту же долю ( Курзон А.Г. Теория судовых, паровых и газовых турбин. Л, 1970, с. 197, III.10).

В итоге, если выигрыш составит 1, а потери 0,3 - 0,45, выигрыш останется 0,7 - 0,55.

Место установки лопаток в канале 9 определяется проектированием и экспериментально в зависимости от соотношения максимального и минимального расходов через турбину.

Регулирование проходного сечения соплового аппарата в соответствии с амплитудой параметров в импульсном потоке позволяет повысить эффективность турбины за счет выравнивания скорости по активной части соплового аппарата перед колесом и за счет увеличения мощности.

Изобретение может быть использовано в турбокомпрессорах для наддува дизеля и позволяет повысить полноту использования энергии выхлопных газов. Турбину снабжают перекрывающими лопатками, устанавливаемыми в газовом канале с возможностью полного его перекрытия при вращении, которое синхронизируют с работой коленчатого вала двигателя посредством кинематической связи таким образом, чтобы при подходе максимального объема выхлопных газов в газоподводящий канал соплового аппарата турбины сечения газоподводящего канала было открыто по всей длине последнего, а при минимуме количества газов "выключалась" часть длины газоподводящего канала. Изобретение повышает полноту использования выхлопных газов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Радиальная импульсная турбина наддува дизеля, содержащая рабочее колесо и сопловой аппарат с подключенными к последнему газоподводящими каналами, снабженными органами перекрытия и связанными с газовыпускными каналами, объединяющими выпускные клапаны цилиндров с неперекрывающимися фазами работы, отличающаяся тем, что органы перекрытия выполнены в виде перекрывающихся лопаток, зафиксированных на валах, установленных с возможностью вращения в каждом газоподводящем канале, с возможностью полного перекрытия последних, при этом валы лопаток зафиксированы в кинематической связи с коленчатым валом дизеля так, чтобы лопатки были сориентированы вдоль газоподводящих каналов синхронно, по углу поворота коленчатого вала, с первой половиной фазы открытия каждой группы выпускных клапанов, дизеля и соответственно поперек газоподводящих каналов синхронно по углу поворота коленчатого вала во второй половине фазы открытия выпускных клапанов двигателя. 2. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что продольные оси валов перекрывающих лопаток размещены перпендикулярно продольной оси газоподводящего канала, параллельно кромкам лопаток соплового аппарата, при этом кромки перекрывающих лопаток параллельны кромке лопатки соплового аппарата и составляют минимально допустимый по условию свободного прохода перекрывающих лопаток зазор с поверхностью лопаток соплового аппарата, обращенной к набегающим газовому потоку, для чего ось вращения перекрывающих лопаток смещена на 0 - 5^o в сторону набегающего потока газов относительно радиуса проведенного через ось вращения рабочего колеса турбины и наиболее выступающую в направлении набегающего потока кромку лопатки соплового аппарата, у которой размещена перекрывающая лопатка.