Лекция № 9. Турбокомпрессоры для наддува ДВС

На современных двигателях наиболее распространенным источником воздухоснабжения являются турбокомпрессоры (далее ТК) различных конструкций. Они отличают­ся абсолютными размерами, схемами течений потоков газа и воздуха, расположением опор и т.п. Ряд такого рода отличий не оказывает принципиального влияния на конструктивные и эксплуатационные данные ТК, но имеет место из-за различных условий и традиций произ­водства агрегатов на заводах-изготовителях.

Конструктивные особенности, приводящие к существенным измене­ниям показателей TK можно выделить в две группы:

– связанные с общей компоновкой агрегата;

– связанные с типом, видом, размерами, особенностями отдельных элементов агрегата.

Конструктивные особенности первой группы оп­ределяются главным образом расположением опор ротора относительно колес турбины и компрессора. Наиболее часто встречающиеся схемы расположения опор приведены на рис.1.

Рис.1 Общие схемы конструкции турбокомпрессоров

От выбора схемы зависит совершенство воздуш­ного и газового трактов ТК, способность быстро переходить на иную частоту вращения (динамичность), компактность, масса, надежность и некоторые другие параметры. Ни одна из приведенных схем не превос­ходит другие по сумме всех названных качеств. Так, у схемы рис. 1,б компактность, динамичность и совершенство газодинамического тракта лучше, чем у схемы рис.1,а, но снижена надежность работы подшипников. Большинство современных фирм-изготовителей выполняет унифицированные модели турбокомпрессоров по этим обеим схемам. Прочие схемы нашли применение у отдельных производителей, использующих турбокомпрессоры собственных конструкций и своего изготовления. Анализ достоинств и недостатков приведенных схем рассмотрен в пособии далее на конкретных примерах.

Конструктивные особенности второй группы многообразны. Они от­носятся к совершенствованию различных свойств ТК, начиная от ком­поновочных и кончая акустическими. К наиболее существенным различиям этой группы в конструкциях турбокомпрессоров прежде всего следует отнести различие в типе газовых турбин. В соответствии с практикой проектирования и изготовления турбокомпрессоров, все они изготавливаются с турбинами двух типов: осевой (схемы а в д е) или радиальной (центростремительной) (схемы б и г). Турбокомпрессоры с радиальной турбиной в СНГ принято обозначать аббревиатурой ТКР, а с осевой турбиной – ТК. ТК обычно используют для двигателей относительно высокой мощности, а ТКР – для двигателей малой и средней мощности (примерно до 1000 кВт). Это обеспечивает получение приемлемых значений КПД турбин в каждой мощностной группе двигателей.

Кроме этого отличия турбокомпрессоры различаются диаметрами колёс турбины и компрессора (для каждой отдельной конструкции они примерно одинаковы). Этот диаметр положен в основу выделения конструкции турбокомпрессоров, предназначенных для применения на ряде двигателей близкой мощности (для типоразмерных турбокомпрессоров). Обычно величина диаметра в той или иной форме приводится в условном наименовании турбокомпрессора, выпускаемого различными фирмами и странами. В частности, турбокомпрессоры, выпускаемые в СНГ, имеют обозначения вида ТК 18 или ТКР 14, что означает «турбокомпрессор с осевой турбиной, имеющей наружный диаметр колес 18см» и «турбокомпрессор с радиальной турбиной, имеющей наружный диаметр колес 14см».

Прочие отличия достаточно многочисленны и разнообразны. Ввиду большого многообразия раз­личных приемов совершенствования турбокомпрессоров, ограничимся примерами наиболее удачных предложений, имеющих опре­деленные перспективы применения или уже применяемых в дизелестроении.

Так, обычные ТК работают при горизонтальном положении оси ро­тора. Для некоторых двигателей использование ТК с вертикальным распо­ложением этой оси существенно улучшает условия компоновки всех аг­регатов системы воздухоснабжения. ТК такой конструкции был создан и выпускался в СССР [7].

Пусковые свойства двигателя, его приемистость, экономичность в широком диапазоне нагрузок улучшаются с применением различного ро­да передач между ротором ТК и коленвалом двигателя, эти же качества могут быть улучшены при постановке камер сгорания перед турбиной ТК.

Экономичность двигателя в широком диапазоне нагрузок, а также приемистость и пусковые качества улучшаются при регулировании про­точных частей турбины и компрессора. Известны экспериментальные и серийные конструкции такого рода как для ТК, так и для одноступен­чатых центробежных компрессоров с любым приводом.

В качестве устройства, также улучшающих экономичность компрессоров, можно назвать систему охлаждения сжимаемого воздуха. Охлаждение воздуха через стенки проточных частей, как показывают расчёты, не имеет смысла из-за низкой эффективности. Практически осуществимыми являются системы, в которых отвод тепла обеспечивается его поглощением при фазовом превращении (испарении) жидкости (обычно воды), впрыскиваемой на всасывание в компрессор. Системы такого рода исследовались экспериментально, но практического применения в двигателестроении пока не получили.