Материал: 2120

Лабораторная работа № 3

ТУРБОКОМПРЕССОР ТИПА ТКР- 5 С ПОВОРОТОМ ЛОПАТОК СОПЛОВОГО АППАРАТА ТУРБИНЫ

3.1. Цель и задачи лабораторной работы

Цель лабораторной работы: изучить конструкцию турбокомпрессора ТКР-5 с автоматическим поворотом лопаток соплового аппарата турбины.

Задачи работы: определить основные размеры турбокомпрессора ТКР-5 путем его разборки (сборки), размеры механизма поворота лопаток и выполнить расчеты параметров турбины при повороте лопаток на 30о.

Оборудование: турбокомпрессор типа ТКР-5 с механизмом поворота лопаток соплового аппарата турбины, набор ключей, штангенциркуль.

3.2. Исходные данные

Двигатель Заволжского моторного завода дизельный, четырехцилиндровый ЗМЗ-5148.10, диаметр цилиндра 87 мм, ход поршня 94 мм, литраж двигателя 2,24 л, степень сжатия 19,5, частота вращения 3900 мин-1, среднее эффективное давление 1,3 МПа, мощность

95 кВт.

3.3. Вводная часть

Наддув двигателей внутреннего сгорания является одним из основных способов повышения мощности. При помощи наддува повышается давление на 30–60% поступающего в цилиндры воздуха и соответственно плотность заряда. Это даёт повышение мощности на 20–60%, улучшение экономичности двигателя на 5–10%, снижение дымности отработанных газов.

В настоящий момент многие фирмы, занимающиеся производст-

вом турбокомпрессоров («Garrett», «KKK» «Hitachi», «Mitsubishi», «Toyota»), производят турбины с изменяемой геометрией. Автоматическая система изменяет размер входного отверстия корпуса турбины в зависимости от скорости потока отработанных газов или на-

21

правление входящего потока газа на лопатки колеса турбины. При низких оборотах двигателя и небольшом потоке выхлопных газов, угол входа потока газа на лопатки оптимальный (15 – 25о). В данном случае КПД турбины максимальный, частота вращения колеса турбины и компрессора достигает требуемого значения, обеспечивая необходимое давление воздуха на выходе из компрессора.

При больших оборотах двигателя и большем потоке поступающих в корпус турбины выхлопных газов, система изменяет угол входа газа на лопатки турбины, поддерживая степень наддува двигателя на нужном уровне и защищая сам турбокомпрессор от чрезмерно высокой скорости вращения.

На рис. 3.1 показан общий вид турбокомпрессора с поворотом лопаток соплового аппарата, обеспечивающее изменение угла входа потока газа на лопатки колеса турбины.

Рис. 3.1. Турбокомпрессор с автоматической системой поворота лопаток соплового аппарата турбины:

1 – колесо турбины; 2 – лопатки, изменяющие направления движения отработавших газов на колесо турбины; 3 – управляющее кольцо; 4 – шток для поворота лопаток; 5 – колесо компрессора;

6 – пневматическая камера управления турбиной

22

3.4. Основные размеры турбокомпрессора ТКР-5

Компрессор:

1. Внутренний диаметр патрубка на входе в компрессор

Do вх = 36 мм.

2.Диаметр колеса наружный D2К = 50 мм.

3.Диаметр втулки колеса компрессора Dо = 13 мм.

4.Диаметр наружный на входе в колесо D1 = 34 мм.

5.Число лопаток 8, толщина лопаток 1мм.

6.Ширина колеса В2 = 14 мм.

7.Внутренний диаметр безлопаточного диффузора D3= 52 мм.

8.Внешний диаметр безлопаточного диффузора 96 мм.

9.Ширина диффузора постоянная 5 мм.

10.Начальный диаметр улитки 3 мм.

11.Конечный диаметр улитки 36 мм.

Турбина:

1.Наружный диаметр колеса турбины 40 мм.

2.Диаметр втулки 13 мм.

3.Число лопаток 9.

4.Диаметр входного патрубка 50 мм.

5.Начальный размер улитки на входе в колесо турбины 25 мм.

Устройство для поворота лопаток сопла турбины:

1.Ход штока 8 мм (регулируемый).

2.Длина рычагов поворотного устройства L1 = L2 = L3 = 14 мм.

3.Начальный (установочный) угол входа потока газа на лопатки

колеса турбины 20о.

4.Наружный диаметр диафрагмы пневматической камеры 40 мм.

5.Жесткость пружины 20 Н/мм.

3.5.Устройство газовых турбин

Вгазовой турбине осуществляется преобразование внутренней энергии в механическую работу. Газовая турбина также относится к числу лопаточных машин. Газ, поступающий в турбину из цилиндров комбинированного двигателя, имеет повышенные по сравнению с окружающей средой давление и температуру. В турбине потенциальная энергия газа первоначально преобразуется в кинетическую энергию потока, а затем в механическую энергию на валу. Как и компрессор, газовая турбина может быть осевой или радиальной. Из радиальных

23

турбин в комбинированных двигателях применяют, как правило, так называемые центростремительные турбины, в которых газ движется радиально от периферии к центру и, совершив поворот на 90°, выходит из турбины в осевомнаправлении.

Газ входит в сопловой аппарат с определенной скоростью, давлением и температурой. Лопатки соплового аппарата образуют суживающиеся каналы, в которых происходит увеличение скорости, в результате понижения давления и температуры газа.

Из соплового аппарата газ попадает в межлопаточные каналы рабочего колеса. При движении через рабочую решетку газ обтекает лопатки, меняя при этом направление движения. Вследствие поворота газового потока, а в большинстве случаев и ускорения его движения возникает сила, приложенная к лопаткам. Касательная составляющая этой силы создает крутящий момент на валу турбины.

Двигатель может работать в широком диапазоне изменения нагрузки и частоты вращения, поэтому параметры газа на входе в турбину существенно изменяются. Для экономичной совместной работы ДВС производятся тщательный расчёт, подбор и настройка турбокомпрессора, также применяются специальные регулирующие устройства.

Правильно выбирая режимы и параметры работы турбины и компрессора, можно обеспечить согласование их характеристик с характеристикой двигателя лишь при степени повышения давления πк = 1,8–2. При более высоких значениях πк для согласования работы двигателя с турбокомпрессором используют следующие способы регулирования турбины:

– поворот лопаток входного направляющего (соплового) аппарата турбины;

–изменение высоты (ширины) соплового аппарата;

–перепуск части выпускных газов в атмосферу мимо турбины.

3.6.Расчёт устройства для поворота лопаток сопла на входе

вмежлопаточные каналы колеса турбины

При входе в улитку 1* турбины (площадь входа в турбину принимается равной площади на входе в компрессор) газ обладает энергией скорости, температуры и давления (рис. 3.2). Температура и давление газа переходят в энергию скорости в результате уменьшения сечения в выходной части соплового аппарата. Сопловый аппарат 2*,

24

образованный лопатками, закрепленный на подвижном диске, служит для оптимального направления потока газа на лопатки колеса турбины и преобразования энергии газа в кинетическую энергию. Для автоматического регулирования сопловый аппарат иногда выполняется с поворотными лопатками. Это позволяет изменять угол входа потока газа на лопатки колеса турбины и ее мощность.

На рис. 3.2 показан план скоростей на входе в колесо (точка 1) и выходе из него (точка 2). Отработавший газ выходит из колеса турбины по среднему диаметру (расчетный вектор скорости).

1* 2*

3*

Cад

Рис. 3.2. План скоростей на входе (точка 1) в колесо турбины и выходе (точка 2):

С – абсолютная скорость; W – относительная

скорость; U − окружная скорость

Турбина работает за счет кинетической энергии (скорости) отработавших газов двигателя. Поступая на криволинейные лопатки колеса турбины 3*, поток газа обтекает их, меняет направление движения, создавая силу. Сила действует на плечо, образуя крутящий момент. В

25