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

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

Известна радиальная импульсная турбина наддува дизеля, содержая 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 подключенными к последнему газоподводящими каналами, снабженными органами перекрытия 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, в снижении затрат энергии на осуществление операций регулирования параметров газового потока, поскольку заявленная компоновка перекрывающего органа исключает появление сил сопротивления повороту диска, действующих на одну его часть, не уравновешенных давлением на поверхность второй половины.

Кроме того, поскольку режим работы самого диска перестает быть пульсирующим (в смысле нагрузок, возникающих в его элементах), обеспечивается повышение работоспособности и долговечности поворотного диска.

Поставленная задача решается тем, что 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, отличается тем, что органы перекрытия выполнены в виде дисков с дугообразными окнами, установленных на валах, размещенных с возможностью вращения в корпусе турбины и сориентированных вдоль газоподводящего канала, при этом угловая длина дугообразных окон уменьшается от диска первого по ходу движения газа к последнему, при этом расстояние от оси вращения вала до дугообразных кромок дугообразных окон дисков меньше расстояния от оси вращения вала до ближайшей к ней поверхности лопаток соплового аппарата, кроме того, валы дисков зафиксированы в кинематической связи с коленчатым валом дизеля так, чтобы максимальная площадь окон дисков соответствовала началу первой половины фазы открытия каждой группы выпускных клапанов дизеля и, соответственно, отсутствовали окна дисков в сечении газоподводящего канала во второй половине фазы открытия выпускных клапанов дизеля.

Кроме того, радиальная импульсная турбина наддува дизеля по п. 1 отличается тем, что диски размещены непосредственно перед кромками лопаток соплового аппарата по направлению движения газа с зазорами, минимально допустимыми по условию свободного вращения диска.

Сравнение признаков известных и заявленного решений свидетельствует о соответствии заявленного технического решения критерию "новизна".

Признаки отличительной части первого пункта формулы изобретения, обеспечивающие возможность периодического перекрытия, свидетельствуют о соответствии заявленного технического решения критерию "новизна".

Признаки отличительной части первого пункта формулы изобретения дают возможность выполнения периодически повторяющихся операций (перекрытия - открытия газоподводящего канала) при работе перекрывающего органа (диска) в постоянном (установившемся) режиме и позволяют снизить энергозатраты на регулирование параметров газового потока и повысить степень использования энергии выхлопных газов.

Признаки второго пункта формулы изобретения уточняют параметры узлов турбины и их взаимное расположение в пространстве, обеспечивающие наиболее эффективную работу турбины.

На фиг. 1 показан поперечный разрез турбины; на фиг. 2 показана зависимость давления газов от угла поворота коленвала; на фиг. 3 показана форма перекрывающих дисков.

На чертежах показаны цилиндры 1 дизеля, коленчатый вал 2, впускные органы (клапаны) 3, выпускные органы (клапаны) 4, газовыпускной канал 5 дизеля, корпус турбины 6, рабочее колесо 7 турбины 6, лопатки 8 соплового аппарата, газоподводящие каналы 9 корпуса турбины 6, диски 10 с окнами, задняя и передняя по направлению вращения вала 11 кромки которых обозначены соответственно как 10б и 10а, кожухи 12 дисков 10, кинематическая связь 13 между коленчатым валом 2 и валом 11 диска 10. Конструктивно названные узлы не отличаются от известных, кроме перекрывающих органов (дисков 10 с валами 11). Диски 10 выполнены из стали и имеют круглую форму. Часть кромки диска срезана таким образом, чтобы получились дугообразные окна (см. фиг. 3). Количество и место установки дисков принимают в зависимости от потребной степени глубины регулирования параметров газового потока. Оси вращения валов 11 сориентированы вдоль длины газоподводящего канала 9. Радиус дисков подбирают таким образом, чтобы при размещении в сечении газоподводящего канала непрорезанной части диска 10 обеспечивалась возможность полного перекрытия сечения газоподводящего канала 9. При этом диски 10 располагают так, чтобы их плоскость была параллельна кромкам лопаток 8 соплового аппарата и была к ним максимально приближена (составляла минимально допустимый зазор), что позволяет до минимума снизить "просачивание" выхлопных газов за диск. Угловые размеры окон дисков 10 увеличиваются от конца газоподводящего канала 9 к его входу, что позволяет поэтапно "выключать" из работы вначале самый удаленный от входа участок газоподводящего канала и обслуживаемые им лопаточные зазоры соплового аппарата, а затем "выключать" участок, более близкий к входу канала 9.

Конструктивно кинематическая связь 13 между коленвалом 2 и валом 11 дисков 10 представляет набор из известных передач, гибкой и зубчатой передач, обеспечивающих решение задачи передачи движения с вышеназванных валов, произвольно сориентированных в пространстве, при заданном передаточном отношении, определяемом условиями синхронизации работы коленвала 2 и дисков 10.

Заявленное устройство работает следующим образом.

По окончании рабочего хода открываются выпускные клапаны 4 группы цилиндров, работающих в одной фазе.

В первой фазе выпуска давление газа в газоподводящем канале 9 импульсной турбины 6 достигает максимума. Коленчатый вал 2 (через кинематическую передачу 13) устанавливает диски 10 в положение, в котором последние кромки окон 10а полностью открывают газоподводящий канал 9 и газ поступает по всей длине соплового аппарата (работают все его межлопаточные зазоры). По мере уменьшения количества газа, выходящего из цилиндра (во второй фазе выпуска), задняя кромка 10б окна (самого дальнего от входа диска 10) перекрывает часть соплового аппарата, стабилизируя давление на оставшейся в работе его части. По мере дальнейшего уменьшения поступающей массы газа в газоподводящем канале 9 задняя кромка 10б диска 10 ближерасположенного к входу канала 9 перекрывает следующий участок длины газоподводящего канала 9, предотвращая нежелательное падение давления газов. Это подтверждается известной формулой, позволяющей определять располагаемую работу газов H_г:

где G_г - расход газа;
ρ₂ - плотность газа;
μF - пропускная способность.

При уменьшении пропускной способности μF 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 перекрывающего диска 10. Например, двигатель имеет четыре цилиндра (фиг. 1), выпуск каждой пары объединен в один газоподводящий канал 9. Частота пульсаций газа перед газоподводящим каналом:

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

Для четырехтактного двигателя, имеющего n_дв = 20 1/с, 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. Т. Е. диск 10 должен вращаться с частотой 20 оборотов в секунду (20 1/с).

Регулирование проходного сечения межлопаточных зазоров 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, увеличения мощности.

Радиальная импульсная турбина предназначена для использования в турбокомпрессорах для наддува дизеля. Радиальная импульсная турбина содержит рабочее колесо и сопловый аппарат с подключенными к последнему газопроводящими каналами, снабженными органами перекрытия и связанными с газовыпускными каналами, объединяющими выпускные клапаны цилиндров с неперекрывающимися фазами работы. Органы перекрытия выполнены в виде дисков с дугообразными окнами. Угловая длина дугообразных окон уменьшается от диска первого по ходу движения газа к последнему. Расстояние от оси вращения вала, на котором установлены диски, до дугообразных кромок дугообразных окон дисков меньше расстояния от оси вращения вала до ближайшей к ней поверхности лопаток соплового аппарата. Валы дисков зафиксированы в кинематической связи с коленчатым валом дизеля так, чтобы максимальная площадь окон дисков соответствовала началу первой половины фазы открытия каждой группы выпускных клапанов дизеля, и, соответственно, отсутствовали окна дисков в сечении газоподводящего канала во второй половине фазы открытия выпускных клапанов дизеля. Диски размещены непосредственно перед кромками лопаток соплового аппарата по направлению движения газа с зазорами, минимально допустимыми по условию свободного вращения диска. Такое выполнение турбины повысит ее эффективность за счет выравнивания скорости по активной части соплового аппарата перед колесом. 1 з.п.ф-лы, 3 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 дисков с дугообразными окнами, установленных на валах, размещенных с возможностью вращения в корпусе турбины и соориентированных вдоль газоподводящего канала, при этом угловая длина дугообразных окон уменьшается от диска первого по ходу движения газа к последнему, при этом расстояние от оси вращения вала до дугообразных кромок дугообразных окон дисков меньше расстояния от оси вращения вала до ближайшей к ней поверхности лопаток соплового аппарата, кроме того, валы дисков зафиксированы в кинематической связи с коленчатым валом дизеля так, чтобы максимальная площадь окон дисков соответствовала началу первой половины фазы открытия каждой группы выпускных клапанов дизеля и соответственно отсутствие окон дисков в сечении газоподводящего канала во второй половине фазы открытия выпускных клапанов дизеля. 2. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что диски размещены непосредственно перед кромками лопаток соплового аппарата по направлению движения газа, с зазорами минимально допустимыми по условию свободного вращения диска.