Центробежные приводные компрессоры

Центробежные компрессоры позволяют получить степень повышения давления воздуха до π _k = 3 при коэффициенте полезного действия η _k = 0,72 и выше.

Основной трудностью при применении центробежных компрессоров для механического наддува является сложность их привода. Это обусловлено тем, что высокие КПД агрегата наддува достигаются при достаточно больших частотах вращения, значительно отличающихся от частоты вращения коленчатого вала. Так на двигателях с рабочим объемом до 2,0 – 2,5 дм³ при частоте вращения коленчатого вала 3500 мин^-1 частота вращения колеса компрессора должна достигать 80000 мин^-1.

Конструктивно компрессор может составлять неотъемлемую часть поршневого двигателя или выполнен в виде отдельного агрегата.

На рис. 3.8 приведен пример конструктивного оформления встроенного центробежного компрессора для наддува авиационного двигателя. Передача вращения от коленчатого вала к рабочему колесу 1 осуществляется двухступенчатой шестеренчатой передачей, в которую входят эластичная и фрикционная муфты. Ведущий вал 4 компрессора получает вращение от коленчатого вала двигателя. На валу 4 имеется фланец 5, соединенный с зубчатым эластичным колесом 7 пружинами 6. Колесо 7 находится в зацеплении с малым зубчатым колесом 8 фрикционной муфты. Она состоит из малого зубчатого колеса 8, обоймы 9, грузов 10 и наружного зубчатого колеса 11, от которого вращение передается к шестерне 2, закрепленной на валу 3 рабочего колеса. Фрикционная муфта предназначена для предохранения деталей привода компрессора от чрезмерной перегрузки при резком изменении частоты вращения двигателя и его пуске. Фрикционное сцепление рассчитывается на передачу заданного максимального крутящего момента. При превышении его происходит проскальзывание муфты. Уплотнение полости нагнетания воздуха обеспечивается втулками с кольцами 12. Такая конструкция привода обеспечивает хорошее согласование работы агрегата наддува и двигателя только в небольшом диапазоне режимов работы двигателя, обычно в пределах (0,8…1,0) N_{e max}.

Возможность расширения диапазона режимов совместной эффективной работы компрессора и двигателя (от холостого хода до номинального режима) предоставляет конструкция центробежного компрессора в виде отдельного агрегата наддува с регулируемым приводом. На рис. 3.9 приведен вариант привода компрессора ZF Turmat, устанавливаемого на двигатель автомобиля BMW -5251.

 

Рис. 3.8. Конструкция привода встроенного центробежного компрессора

От вариатора 1 на коленчатом валу вращение передается ведомому вариатору 2 с помощью ременной передачи. Это позволяет изменять частоту вращения рабочего колеса 5 компрессора в зависимости от режима работы двигателя. Дополнительные возможности регулирования предоставляет электросоединение 3, от которого вращение передается на планетарный механизм 4 и далее на рабочее колесо компрессора. Такая достаточно сложная передача обеспечивает оптимальное согласование режимов работа двигателя и агрегата наддува при частоте вращения рабочего колеса до 80000 мин^-1. В 1989 году фирма прекратила выпуск таких компрессоров, ввиду низкой рыночной потребности в них.

3.4. Преимущества и недостатки механического наддува

а) преимущества:

• более высокое значение давления наддува при частоте вращения ротора нагнетателя, соответствующей малой частоте вращения вала двигателя, обеспечивает хорошую приемистость двигателя с механическим наддувом;

• отсутствует зона неустойчивой работы (помпажа) нагнетателя;

• возможность повышения качества продувки цилиндров двигателя, так как давление наддува всегда больше противодавления на выпуске p _oт;

• более дешевые материалы;

• меньшая сложность технологий производства нагнетателей Рутса и даже Ванкеля обусловливают их меньшую стоимость.

б) недостатки:

• более низкий КПД объемных нагнетателей, из-за существенных утечек воздуха и значительных затрат мощности на привод, снижают экономичность двигателя;

• существенные пульсации давления во впускной системе двигателя, особенно после нагнетателя Рутса с двухлопастными роторами;

• повышенный шум;

• большие габариты и масса, отношение которых к соответствующим показателям двигателя значительно возрастает при уменьшении рабочего объема двигателя iV_h.

• сложной задачей является компоновка агрегата наддува на двигателе, что лимитируется малым объемом подкапотного пространства в автомобиле.

Применение механического наддува, особенно на бензиновых двигателях позволяет снизить выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Удельный расход топлива на малых скоростных режимах снижается, а на больших – увеличивается.

Серийный выпуск механических нагнетателей фирмами-разработчиками фактически прекращен примерно в 1996 году, не выдержав конкуренции с турбокомпрессорами.

В настоящее время совершенствование механического наддува в основном выполняется на бензиновых двигателях специального назначения. Это направление носит название «Тюнинг». Работа в направлении Тюнинга ведется фирмами: Mercedes, Wankel Rotary (Германия), Albert (Австрия), Rinspecd (Швейцария),Vortech, Canibal (США) и другие [23]. Основное внимание уделяется нагнетателям Рутс и центробежным компрессорам ZF Turmat. Работы направлены на совершенствование их проточных частей, конструкции привода, использованию прочных, но легких материалов, керамических покрытий и т.п. Дальнейшее развитие получает электронное управление системами двигателя и нагнетателями. При этом отмечаются значительные сложности в борьбе с искажением сигналов, поступающих от датчиков для регулирования степени повышения давления, расхода воздуха других показателей.

Перспективность применения механического наддува пока не оспаривается. Однако разработчики нагнетателей рекомендуют критически относиться к рекламным заявлениям о значительных достижениях в области производства агрегатов наддува и существенном повышении эффективности механического наддува [23].

Дата добавления: 2014-10-17