Область техники

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

Предшествующий уровень техники

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 [Турбодвигатели и компрессоры: Справочное пособие / Г. Хак, Лангкабель. - M.: ООО "Издательство Астрель", 2003. - С. 145].

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 его улитки. 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 улитки безлопаточного направляющего аппарата осуществляют за счет вращательного движения вокруг оси поворотной заслонки, уменьшая или увеличивая площадь проходного сечения (см. рис. 8 a,б) [Поветкин Г.М. и др. Основные направления повышения технико - экономических показателей тракторных двигателей. ЦНИИТЭИ, сер. "Тракторы и двигатели", 1989г. вып.2, C.29-30] Общими признаками известного и заявляемого способов является то, что регулирование пропускной способности центростремительной турбины осуществляют путем изменения площади проходного сечения разгонного участка улитки безлопаточного направляющего аппарата.

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 безлопаточного направляющего аппарата поворотной заслонки вследствие появления на ее выходной кромке дополнительной диссипации энергии, обусловленной срывами потока газа, входящего в улитку. Как следует из представленных опытных данных прототипа (рис.δв, кривые 1,2,3) при уменьшении пропускной способности турбины на 30% в сравнении с номинальной, КПД турбины снижается на 20...26% .

Раскрытие изобретения

В основу изобретения поставлена задача создания эффективного способа регулирования центростремительной турбины с безлопаточным направляющим аппаратом, в котором за счет иного способа изменения площади проходного сечения разгонного участка его улитки достигается практически полное отсутствие дополнительной диссипации энергии газа в ней при регулировании за счет плавности изменения площади проходного сечения разгонного участка улитки безлопаточного направляющего аппарата, 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, 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 безлопаточного направляющего аппарата; криволинейно - поступательное движение профилированного элемента определяет геометрическую форму, расположение и величину площади проходного сечения конца разгонного участка улитки безлопаточного направляющего аппарата 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 безлопаточного направляющего аппарата,

что обеспечивает при этом получение постоянного высокого КПД турбины во всем диапазоне ее регулирования по пропускной способности.

В предлагаемом способе регулирования центростремительной турбины с безлопаточным направляющим аппаратом, 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 безлопаточного направляющего аппарата газа и, соответственно, существенное снижение КПД турбины. •

Движение профилированного элемента по потоку входящего в улитку а газа или против него позволяет плавно уменьшать или увеличивать величину площади проходного сечения разгонного участка улитки безлопаточного направляющего аппарата, 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 расположением профилированного элемента при его криволинейно-поступательном движении величину, форму и площади проходного сечения разгонного участка улитки безлопаточного направляющего аппарата турбины позволяет повысить эффективность регулирования за счет рационального подбора геометрических параметров такого сечения. Таким образом, заявляемый способ регулирования центростремительной турбины является техническим решением, удовлетворяющим всем условиям патентоспособности.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.l), на котором представлено схематическое изображение центростремительной турбины с безлопаточным направляющим аппаратом, на фиг.2 изображена зависимость площади проходного сечения разгонного участка его улитки от перемещения профилированного элемента, на фиг.З показаны зависимости относительного изменения КПД турбины Аff от изменения относительного приведенного расхода газа ΔG при регулировании турбины при нескольких фиксированных степенях расширения газа π _r , 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). Предполагаемый вариант осуществления изобретения Вариант осуществления предлагаемого способа регулирования центростремительной турбины иллюстрируется фиг.l, где обозначено; 1 - улитка безлопаточного направляющего аппарата, 2 - рабочее колесо турбины, 3 - профилированный элемент.

Предлагаемый способ регулирования центростремительной турбины с безлопаточным направляющим аппаратом основанный на регулировании пропускной способности турбины. Центростремительная турбина с безлопаточным направляющим аппаратом содержит подвижный профилированный элемент 3, расположенный в улитке 1 в районе разгонного участка (см.фиг.l). 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 безлопаточного направляющего аппарата- газа, уменьшая или увеличивая площадь проходного сечения улитки 1. При этом геометрическую форму,

расположение и величину площади проходного сечения разгонного участка улитки 1 определяют криволинейно - поступательным движением профилированного элемента. Криволинейно - поступательное движение профилированного элемента 3 обеспечивает плавное изменение площади проходного сечения разгонного участка улитки 1 безлопаточного направляющего аппарата во всем диапазоне его перемещений, в результате чего дополнительная диссипация энергии газа в улитке 1 при регулировании практически отсутствует, что обеспечивает высокие значения КПД турбины во всем диапазоне регулирования.

Промышленная применимость

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

Из выпускного коллектора ДВС отработавшие в цилиндрах газы поступают через улитку 1 безлопаточного направляющего аппарата на рабочее колесо 2 турбины (см. фиг.l), 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 безлопаточного направляющего аппарата турбины.

В случае, когда ДВС укомплектован турбокомпрессором с нерегулируемой турбиной, площадь проходного сечения F разгонного участка улитки 1 безлопаточного направляющего аппарата 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 заявляемого изобретения, оптимальные величины давления наддува на частичных режимах работы двигателя по скоростной характеристике достигаются путем изменение величины площади проходного сечения F (фиг.2) разгонного участка улитки 1 безлопаточного направляющего аппарата за счет криволинейно - поступательного движения профилированного элемента 3 (см.фиг.l). При снижении мощности двигателя, профилированный элемент 3 перемещается в улитке 1 по потоку, плавно уменьшая площадь проходного сечения улитки F до значения, например, Fi 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, Fj (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 безлопаточного направляющего аппарата, но также 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 нетрудно определить, задавая геометрию улитки 1, профиля профилированного элемента 3 и его перемещений. Аналогично, предлагаемая изобретение может быть использована и при работе двигателя по другим характеристикам - регуляторным. Предлагаемый способ регулирования центростремительной турбины с безлопаточным направляющим аппаратом был реализован в конструкции турбокомпрессора TKP-8,5TB-02 и исследован на безмоторном стенде путем снятия характеристик турбины в широком диапазоне изменения расхода газа при фиксированной степени расширения π _т и оптимальном значении характеристического числа турбины U/C ₀ =0.67.

Как видно из графиков (фиг.З), величина КПД турбины Аrf изменяется в диапазоне ±2 % при изменении относительного приведенного расхода газа ΔG до 30% путем регулирования площади проходного сечения F разгонного участка улитки 1 безлопаточного направляющего аппарата профилированным элементом 3 согласно изобретению. Столь незначительное изменение КПД турбины в широком диапазоне регулирования пропускной способности подтверждает эффективность предлагаемого способа. Другим, более существенным, доказательством эффективности предлагаемого способа регулирования центростремительной турбины являются проведенные моторные испытания 6-ти цилиндрового V - образного двигателя CMД-62 с турбокомпрессором TKP-8,5TB-02, которые показали, что предлагаемый способ регулирования

центростремительной турбины позволил существенно улучшить показатели двигателя по внешней скоростной характеристике. Как видно из графиков (фиг.4), за счет использования в турбине турбокомпрессора регулирования пропускной способности по предлагаемому способу (кривые 1) по сравнению с нерегулируемой турбины турбокомпрессора (кривые 2), удельный эффективный расход топлива двигателя g _e на режимах пониженных частот вращения коленчатого вала снижается на 7.. Л 2 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 безлопаточного направляющего аппарата, что приводит к увеличению КПД турбокомпрессора η _ткp , давления наддува Рк , и как следствие, коэффициента избытка воздуха α и индикаторного КПД двигателя η _t . При этом, за счет увеличения коэффициента избытка воздуха на частичных режимах, улучшаются экологические показатели двигателя. Таким образом, заявляемый способ регулирования центростремительной турбины с безлопаточным направляющим аппаратом позволит улучшить технико-экономические показатели установок с центростремительными турбинами.

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