Способ регулирования центростремительной турбины с безлопаточным направляющим аппаратом

Изобретение относится к области турбиностроения, а именно к способам регулирования центростремительной турбины с безлопаточным направляющим аппаратом, и может быть использовано, например, в агрегатах наддува двигателей внутреннего сгорания. Способ регулирования центростремительной турбины с безлопаточным направляющим аппаратом осуществляют посредством регулирования пропускной способности турбины путем изменения площади проходного сечения разгонного участка улитки. Изменение площади проходного сечения разгонного участка улитки безлопаточного направляющего аппарата осуществляют за счет криволинейно-поступательного движения профилированного элемента по или против потока входящего в улитку газа. Геометрическую форму, положение и величину площади проходного сечения разгонного участка улитки безлопаточного направляющего аппарата определяют криволинейно-поступательным движением профилированного элемента. Изобретение позволяет снизить диссипацию энергии газа за счет плавного изменения площади проходного сечения разгонного участка улитки, что обеспечивает получение высокого коэффициента полезного действия турбины во всем диапазоне ее регулирования по пропускной способности. 4 ил.

 

Изобретение относится к области турбиностроения, а именно к способам регулирования центростремительной турбины (радиально-осевых или диагональных) с безлопаточным направляющим аппаратом (БНА), и может быть использовано, например, в агрегатах наддува ДВС.

Известен способ регулирования центростремительной турбины, имеющей лопаточный направляющий аппарат, при котором пропускную способность (расходную характеристику) турбины регулируют за счет поворота лопаток соплового аппарата турбины, изменяя при этом площадь проходного сечения направляющего аппарата [1].

Общими признаками известного и заявляемого способов является то, что регулирование пропускной способности осуществляют за счет изменения площади проходного сечения направляющего аппарата.

Недостатком известного способа регулирования является его сложность, обусловленная необходимостью выполнения высокотехнологичного механизма одновременного поворота нескольких направляющих лопаток. Кроме того, этот способ регулирования относится к центростремительным турбинам с лопаточным направляющим аппаратом и не может быть использован для регулирования центростремительной турбины с безлопаточным направляющим аппаратом.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является известный способ регулирования центростремительной турбины с безлопаточным направляющим аппаратом, выбранный в качестве прототипа, при котором осуществляют регулирование пропускной способности турбины путем изменения площади проходного сечения разгонного участка БНА. При этом на разгонном участке улитки устанавливают поворотную заслонку, представляющую собой пластину, расположенную на его кромке со стороны входящего в улитку газа. Изменение площади проходного сечения разгонного участка БНА осуществляют за счет вращательного движения вокруг оси поворотной заслонки, уменьшая или увеличивая площадь проходного сечения (см. рис.8 а, б) [2].

Общими признаками известного и заявляемого способов является то, что регулирование пропускной способности центростремительной турбины осуществляют путем изменения площади проходного сечения разгонного участка улитки БНА.

Недостатком известного способа регулирования турбины по прототипу является существенное снижение КПД турбины во всем диапазоне регулирования пропускной способности вследствие использования для изменения площади проходного сечения разгонного участка улитки БНА поворотной заслонки вследствие появления на ее выходной кромке дополнительной диссипации энергии, обусловленной срывами потока газа, входящего в улитку БНА. Как следует из представленных опытных данных (рис.8в, кривые 1, 2, 3) при уменьшении пропускной способности турбины на 30% в сравнении с номинальной, КПД турбины снижается на 20...26% [2].

В основу изобретения поставленная задача создания эффективного способа регулирования центростремительной турбины с БНА, в котором за счет иного способа изменения площади проходного сечения разгонного участка улитки БНА достигается практически полное отсутствие дополнительной диссипации энергии газа в ней при регулировании за счет плавности изменения площади проходного сечения разгонного участка улитки БНА, что обеспечивает при этом получение постоянного, высокого КПД турбины во всем диапазоне ее регулирования по пропускной способности.

В частности, для дизельного двигателя с турбонаддувом такое регулирование пропускной способности турбины турбокомпрессора по скоростной характеристике двигателя дает значительное снижение среднеэксплуатационного расхода топлива и улучшение его экологических характеристик.

Поставленная задача достигается тем, что в способе регулирования центростремительной турбины с безлопаточным направляющим аппаратом, основанном на регулировании пропускной способности турбины путем изменения площади проходного сечения разгонного участка улитки безлопаточного направляющего аппарата, согласно изобретению изменение площади проходного сечения разгонного участка улитки безлопаточного направляющего аппарата осуществляют за счет криволинейно поступательного движения профилированного элемента по или против потока входящего в улитку газа, при этом геометрическую форму, расположение и величину площади проходного сечения разгонного участка улитки безлопаточного направляющего аппарата определяют криволинейно-поступательным движением профилированного элемента.

От прототипа заявляемое изобретение отличается следующими признаками:

- регулирование пропускной способности турбины осуществляют за счет криволинейно-поступательного движения профилированного элемента;

- криволинейно-поступательное движение профилированного элемента осуществляют в 2-х направлениях: по потоку входящего в улитку турбины газа или против него в зависимости от необходимости уменьшения или увеличения величины площади проходного сечения разгонного участка улитки БНА;

- криволинейно-поступательное движение профилированного элемента определяет геометрическую форму, расположение и величину площади проходного сечения разгонного участка улитки БНА турбины.

В результате использования заявляемого изобретения обеспечивается технический результат, который заключается в практически полном отсутствии дополнительной диссипации энергии газа за счет плавности изменения площади проходного сечения разгонного участка улитки БНА, что обеспечивает при этом получение постоянного высокого КПД турбины во всем диапазоне ее регулирования по пропускной способности.

Между существенными признаками заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.

Криволинейно-поступательное движение элемента, выполненного профилированным, позволяет осуществлять плавное изменение площади проходного сечения разгонного участка улитки во всем диапазоне регулирования, исключая тем самым диссипацию энергии газа из-за срывов потока входящего в улитку БНА газа и, соответственно, существенное снижение КПД турбины. Движение профилированного элемента по потоку входящего в улитку газа или против него позволяет плавно уменьшать или увеличивать величину площади проходного сечения разгонного участка улитки БНА, способствуя практическому отсутствию дополнительной диссипации энергии газа в улитке, что также, по сравнению с прототипом, значительно увеличивает КПД турбины во всем диапазоне регулирования. Возможность задавать расположениям профилированного элемента при его криволинейно-поступательном движении величину, форму и площади проходного сечения разгонного участка завитка БНА турбины разрешает повысить эффективность регулирования за счет рационального каблука геометрических параметров такого сечения.

По имеющимся у заявителя сведениям совокупность существенных признаков, которые характеризуют сущность заявляемого изобретения, не известна из имеющегося уровня техники, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна". По мнению заявителя для специалиста в области турбиностроения, в частности производства агрегатов наддува ДВС, сущность заявляемого изобретения не вытекает явным образом из уровня техники, так как из него не выявляется совокупность существенных признаков и их влияние на достигаемый технический результат. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию "изобретательский уровень". Заявляемый способ регулирования центростремительной турбины с безлопаточным направляющим аппаратом может быть многократно использован в производстве радиально-осевых и диагональных турбин с получением ожидаемого технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость". Таким образом, заявляемый способ регулирования центростремительной турбины является техническим решением, удовлетворяющим всем условиям патентоспособности изобретения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено схематическое изображение центростремительной турбины с БНА; на фиг.2 изображена зависимость площади проходного сечения разгонного участка улитки БНА от перемещения профилированного элемента; на фиг.3 показаны зависимости относительного изменения КПД турбины от изменения относительного приведенного расхода газа при регулировании турбины при нескольких фиксированных степенях расширения газа π_T, а на фиг.4 - графики изменения показателей ДВС по внешней скоростной характеристике при использовании предлагаемого способа регулирования турбины турбокомпрессора (кривые 1) и нерегулируемой турбины турбокомпрессора (кривые 2).

На фиг.1 обозначено: 1 - улитка БНА, 2 - рабочее колесо турбины, 3 - профилированный элемент. Центростремительная турбина с БНА содержит подвижный профилированный элемент 3, расположенный в улитке 1 в районе разгонного участка (см. фиг.1).

Предлагаемый способ регулирования центростремительной турбины осуществляют следующим образом.

Предлагаемый способ регулирования центростремительной турбины с БНА основан на регулировании пропускной способности турбины. Изменение площади проходного сечения разгонного участка улитки 1 осуществляют за счет криволинейно-поступательного движения профилированного элемента 3 по или против потока входящего в улитку 1 БНА газа, уменьшая или увеличивая площадь проходного сечения улитки 1 БНА. При этом геометрическую форму, расположение и величину площади проходного сечения разгонного участка улитки 1 БНА определяют криволинейно-поступательным движением профилированного элемента. Криволинейно-поступательное движение профилированного элемента 3 обеспечивает плавное изменение площади проходного сечения разгонного участка улитки 1 БНА во всем диапазоне его перемещений, в результате чего дополнительная диссипация энергии газа в улитке 1 БНА при регулировании практически отсутствует, что обеспечивает высокие значения КПД турбины во всем диапазоне регулирования.

Рассмотрим вариант реализации предлагаемого способа регулирования центростремительной турбины с БНА на примере центростремительной турбины турбокомпрессора для наддува ДВС, работающего по скоростной характеристике.

Из выпускного коллектора ДВС отработавшие в цилиндрах газы поступают через улитку БНА 1 на рабочее колесо 2 турбины (см.фиг.1), вырабатывая мощность, которая передается через вал на компрессор турбокомпрессора. Компрессор, поглощая мощность турбины, развивает давление наддува во впускном коллекторе ДВС, от величины которого зависят многие показатели двигателя с турбонаддувом, в частности топливная экономичность и экологические показатели. Давление газов в выпускном коллекторе, а следовательно, мощность турбины и давление наддува, зависят от пропускной способности турбины, определяемой площадью проходного сечения F разгонного участка улитки 1 БНА турбины.

В случае, когда ДВС укомплектован турбокомпрессором с нерегулируемой турбиной, площадь проходного сечения F разгонного участка улитки 1 БНА турбины подбирается таким образом, чтобы обеспечить оптимальную величину давления наддува на номинальной или близкой к нему мощности двигателя. Однако при работе двигателя в условиях реальной эксплуатации по скоростной характеристике происходит рассогласование расходных характеристик двигателя и турбины турбокомпрессора, в результате чего на частичных режимах давление наддува оказывается существенно ниже оптимальных значений, что приводит к перерасходу топлива и ухудшению экологических показателей двигателя.

Согласно заявляемому изобретению оптимальные величины давления наддува на частичных режимах работы двигателя по скоростной характеристике достигаются путем изменения величины площади проходного сечения F (см.фиг.2) разгонного участка улитки 1 БНА за счет криволинейно-поступательного движения профилированного элемента 3 (см.фиг.1). При снижении мощности двигателя, профилированный элемент 3 перемещается в улитке 1 по потоку, плавно уменьшая площадь проходного сечения улитки F до значения, например, F₂ и, наоборот, при повышении мощности двигателя профилированный элемент 3 перемещается в улитке 1 против потока, плавно увеличивая сечение разгонного участка улитки 1 до значения, например, F₁ (см.фиг.2). При этом профилированный элемент 3 может занимать как по потоку, так и против потока не только положения, обеспечивающие максимальную и минимальную площади проходного сечения разгонного участка улитки 1 БНА, но также и множество других положений между ними по траектории своего движения в процессе регулирования пропускной способности турбины.

Таким образом, при работе двигателя по скоростной характеристике обеспечивается оптимальное давление наддува на всех режимах, зависимость которого от нагрузки двигателя определяют, задавая геометрию улитки 1, профиля профилированного элемента 3 и его перемещений.

Аналогично, предлагаемое изобретение может быть использовано и при работе двигателя по другим характеристикам - нагрузочным, регуляторным.

Предлагаемый способ регулирования центростремительной турбины с безлопаточным направляющим аппаратом был реализован в конструкции турбокомпрессора ТКР-8, 5ТВ-02 и исследован на безмоторном стенде путем снятия характеристик турбины в широком диапазоне изменения расхода газа при фиксированной степени расширения π_T и оптимальном значении характеристического числа турбины U/C₀=0.67.

Как видно из графиков (см. фиг.3), величина КПД турбины изменяется в диапазоне ±2% при изменении относительного приведенного расхода газа до 30% путем регулирования площади проходного сечения F разгонного участка улитки 1 БНА профилированным элементом 3 согласно предлагаемому способу регулирования. Столь незначительное изменение КПД турбины в широком диапазоне регулирования пропускной способности подтверждает эффективность заявляемого способа.

Другим, более существенным, доказательством эффективности предлагаемого способа регулирования центростремительной турбины являются проведенные моторные испытания 6-ти цилиндрового V-образного двигателя СМД-62 с турбокомпрессором ТКР-8, 5ТВ-02, которые показали, что предлагаемый способ регулирования центростремительной турбины позволил существенно улучшить показатели двигателя по внешней скоростной характеристике. Как видно из графиков (см. фиг.4), за счет использования в турбине турбокомпрессора регулирования пропускной способности по предлагаемому способу (кривые 1) по сравнению с нерегулируемой турбиной турбокомпрессора (кривые 2), удельный эффективный расход топлива двигателя g_e на режимах пониженных частот вращения коленчатого вала снижается на 7...12 г/кВт·ч. Указанный эффект достигается тем, что при рассогласовании расходных характеристик двигателя и турбокомпрессора на частичных нагрузках криволинейно-поступательное движение в улитке профилированного элемента по и против потока регулирует пропускную способность турбины за счет плавного изменения площади проходного сечения разгонного участка улитки БНА, что приводит к увеличению КПД турбокомпрессора η_ткр, давления наддува Р_К, и как следствие, коэффициента избытка воздуха α и индикаторного КПД двигателя η_i. При этом за счет увеличения коэффициента избытка воздуха на частичных режимах улучшаются экологические показатели двигателя.

Таким образом, заявляемый способ регулирования центростремительной турбины с БНА позволяет улучшить технико-экономические показатели установок с центростремительными турбинами.

Проведенные испытания центростремительной турбины по предлагаемому способу ее регулирования согласно заявляемому изобретению подтвердили получение ожидаемого технического результата и положительного эффекта.

Источники информации

1. Турбодвигатели и компрессоры. - Справ. пособие / Г.Хак, Лангкабель. - М.: ООО "Издательство Астрель", 2003, с.145.

2. Поветкин Г.М. и др. Основные направления повышения технико-экономических показателей тракторных двигателей. ЦНИИТЭИ, сер. "Тракторы и двигатели", 1989 г., вып.2, с.29-30 (прототип).

Способ регулирования центростремительной турбины с безлопаточным направляющим аппаратом, основанный на регулировании пропускной способности турбины путем изменения площади проходного сечения разгонного участка улитки, отличающийся тем, что изменение площади проходного сечения разгонного участка улитки безлопаточного направляющего аппарата осуществляют за счет криволинейно-поступательного движения профилированного элемента по или против потока входящего в улитку газа, при этом геометрическую форму, положение и величину площади проходного сечения разгонного участка улитки безлопаточного направляющего аппарата определяют криволинейно-поступательным движением профилированного элемента.