Регулирование турбокомпрессоров с помощью клапанов перепуска газов или воздуха

Итак, создание сложных схем выполнения комбинированного двигателя в значительной степени связано с необходимость получения рациональной зависимости изменения вращающего момента двигателя от частоты вращения вала. Другим путём решения этой задачи является применение регулирования турбонаддува. Одним из методов такого регулирования является использование перепуска газов или воздуха.

Наиболее эффективным представляется перепуск части выпускных газов (способ с перепуском газов характеризуется несколько более высоким КПД, по сравнению с перепуском воздуха). При этом способе турбокомпрессор с самого начала рассчитывается на меньший расход. Для этого режима ТК может быть рассчитан так, чтобы был высокий КПД. Перепуск газа при больших расходах производится для того, чтобы давление наддува и частота вращения компрессора при высоких мощностях не были бы слишком большими. Перепуск соответствует некоторому повышению КПД турбокомпрессора при высоких нагрузках, которые тем скорее допустимы, чем реже двигатель и ТК эксплуатируются на режимах, близких к границе их термической напряжённости и чем реже и соответственно короче требуемые режимы максимальной мощности.

Такая система применяется прежде всего для автомобильных высокооборотных двигателей (с частотами вращения порядка 4500 мин^-1 и более), а также для бензиновых двигателей с ГТН. При этом применяются малоразмерные компрессоры с низкими моментами инерции, а уровень достижимого наддува составляет Р_к=1,8 – 4,0 кг/см². Схема метода приведена на рис. 4.23.

Рис. 4.23. Схема регулирования наддува перепуском отработавших газов. 1 – турбина, 2 – компрессор, 3 – байпасный трубопровод, 4 – впускной трубопровод, 5 – впускной коллектор, 6 – впускной клапан, 7 – выпускной коллектор, 8 – трубопровод, 9 – выпускной трубопровод, V – разгрузочный клапан, М – пружина.

При работе двигателя отработавшие газы по выпускному коллектору 7 подводятся к газовой турбине 1, а затем на выпуск 9. Компрессор 2 сжимает входящий воздух и по впускному трубопроводу 4 и впускному коллектору 5 подаёт его к впускному клапану 6 и в цилиндр двигателя. На режимах полных нагрузок и высоких частот вращения турбокомпрессор создаёт чрезмерное давление наддува. Чтобы этого не происходило, в выпускном коллекторе 7 установлен разгрузочный клапан V, находящийся в закрытом положении, благодаря пружине М. Надпружинная полость перекрыта герметичной мембраной, к которой подведён воздух второго контура от компрессора 2 по трубопроводу 8. Поэтому при высоком давлении наддува давлением воздуха клапан открывается и отработавшие газы частично стравливаются по байпасному трубопроводу 3 в выпускной трубопровод после турбины. При снижении частоты вращения и полных нагрузках, когда давление наддува снижается, давление воздуха становится не достаточным для открытия клапана V и перепуск газов прекращается. Т. е благодаря такому выполнению удаётся повышать крутящий момент двигателя при снижении частоты вращения вала.

Схема автоматического управления работой клапана представлена на рис. 4. 24.

Рис. 4.24. Схема системы регулирования турбокомпрессоров с помощью клапанов перепуска газов или воздуха. 1 – вход воздуха, 2 – выход газов из ГТН, 3 – двигатель, 4 – компрессор, 5 – турбина, 6 – клапан перепуска газов (байпасирования), 7 – к двигателю, 8 – насос, 9 – масляный бак, 10 – контроль за соотношением давлений.

При работе двигателя 3 ОГ подаются к турбине 5, которая вращает компрессор 4. Воздух всасывается со стороны 1, а ОГ выбрасываются в сторону 2. Узел 10 осуществляет контроль за соотношением давлений во впускном коллекторе после компрессора и во впускном канале 1 перед компрессором 4. Клапан перепуска газов 6 управляется гидравлически от давления масла, подаваемого насосом 8 из масляного бака 9. Перепадом давления на клапане узла 10 происходит либо стравливание давления масла в полости управления клапана перепуска газов, либо отсутствие стравливания и тогда давлением масла клапан перепуска открывает стравливание ОГ на выпуск мимо турбины.

На карбюраторных двигателях с турбонаддувом, предназначенных для гоночных автомобилей, дополнительно к регулированию перепуском применялись дроссельные заслонки, устанавливавшиеся непосредственно перед компрессором и за ним (рис. 4.25).

Рис. 4.25. Схема регулирования наддува с дроссельными заслонками перед компрессором и за ним для уменьшения падения частоты вращения при переходных процессах.

Эти заслонки при сбросе газа закрывались, вследствие чего ротор при следующем за этим через короткое время разгоне увеличивал частоту вращения скачком.

Узел клапана перепуска ОГ показан на рис. 4.26 а и б. Канал 1 соединяется с трубопроводом подачи ОГ к газовой турбине. К отверстию 2 подводится управляющая среда (масло или сжатый воздух). Мембрана 3 отделяет управляющую полость с полостью возвратной пружины 4, которая удерживает клапан 5 в закрытом состоянии. Под действием давления управляющей среды клапан 5 поднимается и открывает стравливание ОГ из выпускного канала 1 к каналу 7 выпуска газов к глушителю. Для воздушного охлаждения трубопровода байпасирования ОГ последний выполнен с рёбрами охлаждения 6.

Рис. 4.26. Схемы двух видов клапанов перепуска. а – клапан с управлением давлением наддува, б – клапан с управлением давлением ОГ. 1 – выпускной коллектор, 2 – подвод наддувочного воздуха к мембране клапана перепуска, 3 – мембрана, 4 – возвратная пружина, 5 – клапан перепуска, 6 – к глушителю.

Другая конструкция узла отличается от первой тем, что в ней отсутствует управляющее действие воздуха или масла. Т. е. при повышенном давлении ОГ клапан 5 поднимается этим давлением и часть ОГ стравливается по каналу 7 к глушителю.

Схемы работы клапана приведены на рис. 4.27 а и б, где показаны положения клапана перепуска 5 в закрытом положении (рис. 4.27 а) и открытом положении, т. е. положении перепуска (байпасирования) газов (б).

Рис. 4.27.

Принципиальная схема работы клапана перепуска отработавших газов. а – клапан перепуска закрыт, б – клапан перепуска открыт. 1 – выпускной коллектор, 2 – трубопровод подачи управляющего давления наддува к мембране управления работой клапана, 3 – мембрана, 4 – возвратная пружина, 5 – клапан перепуска ОГ.

В данном случае работой клапана управляет давление воздуха, создаваемого компрессором. Т. е. на режимах высоких нагрузок и высоких частот вращения, когда ТК создаёт чрезмерно высокое давление наддува, сжатый воздух по каналу 2 воздействует на разделительную мембрану 3, открывает клапан 5 и газы перепускаются из выпускного коллектора в обход турбины – к глушителю.

На рис. 4.28 а и б показаны схемы работы клапана перепуска газов при управлении клапаном перепуска по давлению наддува. Виден трубопровод 4 передачи давления наддува на мембрану 1 управления клапаном 3.

Рис. 4.28. Конструктивная схема работы клапана перепуска ОГ при его регулировании по величине давления наддува. 1 – мембрана, 2 – возвратная пружина, 3 – клапан перепуска, 4 – трубопровод подачи управляющего воздуха.

На рис. 4.29 а и б показано, что клапан перепуска может стоять во впускном трубопроводе после компрессора и стравливать часть воздуха при повышенном перепаде давления воздуха между впускным и нагнетательным трубопроводами (а).

Рис. 4.29. Схема работы клапанов перепуска. а – регулирование наддува перепуском части воздуха, б – регулирование наддува перепуском ОГ.

На схеме (б) клапан перепуска регулирует давление ОГ на выпуске с помощью давления управляющей среды – сжатого воздуха.

Дата добавления: 2014-12-26