Схема подачи воздуха в двигатель с турбиной: Турбонаддув. Подача дополнительного воздуха в цилиндры двигателя

Содержание

Основы турбонаддува | Часть 1. Принципы работы турбодвигателя.

Основные принципы работы турбодвигателя.

Как известно, мощность двигателя пропорциональна количеству топливовоздушной смеси, попадающей в цилиндры. При прочих равных, двигатель большего объема пропустит через себя больше воздуха и, соответственно, выдаст больше мощности, чем двигатель меньшего объема. Если нам требуется, чтобы маленький двигатель выдавал мощности как большой или мы просто хотим, чтобы большой выдавал еще больше мощности, нашей основной задачей станет поместить больше воздуха в цилиндры этого двигателя. Естественно, мы можем доработать головку блока и установить спортивные распредвалы, увеличив продувку и количество воздуха в цилиндрах на высоких оборотах. Мы даже можем оставить количество воздуха прежним, но поднять степень сжатия нашего мотора и перейти на более высокий октан топлива, тем самым подняв КПД системы. Все эти способы действенны и работают в случае, когда требуемое увеличение мощности составляет 10-20%. Но когда нам нужно кардинально изменить мощность мотора — самым эффективным методом будет использование турбокомпрессора.

Каким же образом турбокомпрессор позволит нам получить больше воздуха в цилиндрах нашего мотора? Давайте взглянем на приведенную ниже диаграмму:



Рассмотрим основные этапы прохождения воздуха в двигателе с турбокомпрессором:

— Воздух проходит через воздушный фильтр (не показан на схеме) и попадает на вход турбокомпрессора (1)
— Внутри турбокомпрессора вошедший воздух сжимается и при этом увеличивается количество кислорода в единице объема воздуха. Побочным эффектом любого процесса сжатия воздуха является его нагрев, что несколько снижает его плотность.
— Из турбокомпрессора воздух поступает в интеркулер (3) где охлаждается и в основной мере восстанавливает свою температуру, что кроме увеличения плотности воздуха, ведет еще и к меньшей склонности к детонации нашей будущей топливовоздушной смеси.
— После прохождения интеркулера воздух проходит через дроссель, попадает во впускной коллектор (4) и дальше на такте впуска — в цилиндры нашего двигателя.


Объем цилиндра является фиксированной величиной, обусловленной его диаметром и ходом поршня, но так как теперь он заполняется сжатым турбокомпрессором воздухом, количество кислорода зашедшее в цилиндр становится значительно больше чем в случае с атмосферным мотором. Большее количество кислорода позволяет сжечь большее количество топлива за такт, а сгорание большего количества топлива ведет к увеличению мощности выдаваемой двигателем.
— После того как топливо-воздушная смесь сгорела в цилиндре, она на такте выпуска уходит в выпускной коллектор (5), где этот поток горячего (500С-1100С) газа попадает в турбину (6)
— Проходя через турбину, поток выхлопных газов вращает вал турбины на другой стороне которого находится компрессор, и, тем самым совершает работу по сжатию очередной порции воздуха. При этом происходит падение давления и температуры выхлопного газа, поскольку часть его энергии ушла на обеспечение работы компрессора через вал турбины.

Ниже приведена схема внутреннего устройства турбокомпрессора:


В зависимости от конкретного мотора и его компоновки под капотом, турбокомпрессор может иметь дополнительные встроенные элементы, такие как Wastegate и Blow-Off. Рассмотрим их подробнее:

Blow-off

Блоуофф (перепускной клапан) — это устройство установленное в воздушной системе между выходом из компрессора и дроссельной заслонкой с целью не допустить выход компрессора на режим surge. В моменты, когда дроссель резко закрывается, скорость потока и расход воздуха в системе резко падает, при этом турбина еще некоторое время продолжает вращаться по инерции со скоростью не соответствующей новому упавшему расходу воздуха. Это вызывает циклические скачки давления за компрессором и слышимый характерный звук прорывающегося через компрессор воздуха. Surge со временем приводит к выходу из строя опорных подшипников турбины, ввиду значительной нагрузки на них в этих переходных режимах. БлоуОфф использует комбинацию давлений в коллекторе и установленной в нем пружины чтобы определить момент закрытия дросселя. В случае резкого закрытия дросселя блоуофф сбрасывает в атмосферу возникающий в воздушном тракте избыток давления и тем самым спасает турбокомпрессор от повреждения.

Wastegate

Представляет собой механический клапан установленный на турбинной части или на выпускном коллекторе и обеспечивающий контроль за создаваемым турбокомпрессором давлением. Некоторые дизельные моторы используют турбины без вейстгейтов. Тем не менее, подавляющее большинство бензиновых моторов обязательно требуют его наличия. Основной задачей вейстгейта является обеспечивать выхлопным газам возможность выхода из системы в обход турбины. Пуская часть газов в обход турбины, мы контролируем количество энергии газов, которое уходит через вал на компрессор и, тем самым, управляем давлением наддува, создаваемым компрессором. Как правило, вейстгейт использует давление наддува и давление встроенной пружины, что бы контролировать обходной поток выхлопных газов.

Встроенный вейстгейт состоит из заслонки, встроенной в турбинный хаузинг (улитку), пневматического актуатора, и тяги от актуатора к заслонке.


Внешний гейт представляет собой клапан, устанавливаемый на выпускной коллектор до турбины. Преимуществом внешнего гейта является то, что сбрасываемый им обходной поток может быть возвращен в выхлопную систему далеко от выхода из турбины или вообще сброшен в атмосферу на спортивных автомобилях. Все это ведет к улучшению прохождения газов через турбину ввиду отсутствия разнонаправленных потоков в компактном объеме турбинного хаузинга.


Водяное и масляное обеспечение:

Шарикоподшипниковые турбины Garrett требуют значительно меньше масла чем втулочные аналоги. Поэтому установка маслянного рестриктора на входе в турбину крайне рекомендована, если давление масла в вашей системе превышает 4 атм. Слив масла должен быть заведен в поддон выше уровня масла. Поскольку слив масла из турбины происходит естественным путем под действием гравитации, крайне важно, чтобы центральный картридж турбины был ориентирован сливом масла вниз.

Частой причиной выхода из строя турбин является закоксовка маслом в центральном картридже. Быстрая остановка мотора после больших продолжительных нагрузок ведет к теплообмену между турбиной и нагретым выпускным коллектором, что в отсутствии притока свежего масла и поступления холодного воздуха в компрессор ведет к общему перегреву картриджа и закоксовке имеющегося в нем масла.

Для минимизации этого эффекта турбины снабдили водяным охлаждением. Водные шланги обеспечивают эффект сифона снижая температуру в центральном картридже даже после остановки двигателя, когда нет принудительной циркуляции воды. Желательно также обеспечить минимум неравномерности по вертикали линии подачи воды, а также несколько развернуть центральный картридж вокруг оси турбины на угол до 25 градусов.

Выбор турбины.

Правильный подбор турбины является ключевым моментом в постройке турбомотора и основан на многих вводных данных. Самым основным фактом выбора является требуемая от мотора мощность. Важно также выбирать эту цифру максимально реалистично для вашего мотора. Поскольку мощность мотора зависит от количества топливовоздушной смеси, которая через него проходит за единицу времени, определив целевую мощность, мы приступим к выбору турбины способной обеспечить необходимый для этой мощности поток воздуха.

Другим крайне важным фактором выбора турбины является скорость ее выхода на наддув и минимальные обороты двигателя, на которых это происходит. Меньшая турбина или меньший горячий хаузинг позволяют улучшить эти показатели, но максимальная мощность при этом будет снижена. Тем не менее, за счет большего рабочего диапазона работы двигателя и быстрого выхода турбины на наддув при открытии дросселя в целом результат может быть значительно лучше, чем при использовании большей турбины с большой пиковой мощностью, но в узком верхнем диапазоне работы мотора.

Втулочные и шарикоподшипниковые турбины.

Втулочные турбины были самыми распространенными в течение долгого времени, тем не менее, новые и более эффективные шарикоподшипниковые турбины используются все чаще. Шарикоподшипниковые турбины появились как результат работы Garrett Motorsport во многих гоночных сериях.

 

Отзывчивость турбины на дроссель в значительной степени зависит от конструкции центрального картриджа. Шарикоподшипниковые турбины Garrett обеспечивают на 15% более быстрый выход на наддув относительно их втулочных аналогов, снижая эффект турбо-ямы и приближая ощущение от турбо-мотора к атмосферному большеобъемнику.


Шарикоподшипниковые турбины также требуют значительно меньшего потока масла через картридж для смазки подшипников. Это снижает вероятность утечек масла через сальники. Такие турбины менее требовательны к качеству масла и менее склонны к закоксовке после глушения двигателя.

Читать Часть 2: Trim, A/R хаузингов, твинскролл, AFR.

Читать Часть 3: Компрессорная карта, Surge, Эффективность, Скорость вращения.

Расчет и подбор турбин Garrett онлайн.


По материалам Garrett TurboTech.
Перевод и адаптация Oleg Coupe (TurboGarage)
При использовании материалов ссылка на источник обязательна.

устройство, принцип работы системы (видео), схема дизельного двигателя с турбиной

Идея дополнительного нагнетания воздуха зародилась едва не сразу же после постройки первых полноценных двигателей внутреннего сгорания. Изначально использование энергии выхлопных газов для повышения мощности ограничивалась корабельными ДВС, позже двигатель с турбонаддувом пришел в авиастроение. И только в 1931 году первый турбокомпрессор был установлен на грузовой автомобиль. Что такое турбонаддув и как использование нагнетателей сказывается на КПД двигателя – тема сегодняшней статьи.

Теория газообмена в ДВС

Основной принцип работы 4-х тактного ДВС мы уже рассматривали, поэтому для автолюбителей, только начинающих свое изучение технической составляющей автомобиля, было бы крайне полезно ознакомиться со статьей для лучшего понимания предназначения турбонаддува.

Знание того, что двигатель внутреннего сгорания работает на воздухе, является основополагающим для понимания предназначения турбонаддува. Формулировка именно такова, поскольку подача в цилиндры топлива на современном этапе развития техники не является проблемой. Технически реализовать крайне производительный бензонасос, ТНВД и топливные форсунки очень просто. Одна из главных проблем в работе двигателя – подача в цилиндры воздуха. Чем больше окислителя мы можем подать в цилиндры, тем больший объем топливовоздушной смеси можно приготовить, а чем больший объем ТПВС мы имеем, тем большую отдачу мы получим при ее сгорании. В свою очередь, мощность, выдаваемая двигателем, напрямую зависит от работы, выполняемой при сгорании ТПВС.

Подача окислителя в цилиндры

В атмосферном двигателе всасывание воздуха происходит из-за разряжения, возникающего при движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ). В теории мы имеем определенное идеальное количество воздуха, которое может поместиться в цилиндр, ограничивающееся объемом цилиндра. В действительности из-за всевозможных потерь цилиндр наполняется лишь на 70-80% своего объема. Именно в этом моменте раскрывается главное предназначение турбонаддува – принудительное нагнетание воздуха в цилиндры.

Используя турбокомпрессор, мы можем не только заполнить полностью цилиндры, но и даже превысить этот показатель, подавая воздух под давлением, что ведет к увеличению плотности на единицу объема и, как следствие, увеличению общей массы воздушного заряда.

Виды турбонаддува

Принципиальная разница заключается лишь в конструкции турбокомпрессора. Для дополнительного нагнетания воздуха могут использоваться:

  • турбина, которая приводится в действие энергией выхлопных газов. Конструктивно турбину можно представить как два вентилятора, которые расположены на одной оси. Один из вентиляторов сочленен с выхлопной системой автомобиля, второй располагается во впускном тракте. Выходящие на такте выпуска из цилиндра газы приводят в движении турбинное колесо. Поскольку оба «вентилятора» закреплены на одной оси, то колесо компрессора во впускном тракте также начинает вращаться, ускоряя тем самым прохождение воздуха. Чем выше обороты двигателя, тем большее давление выхлопных газов во впускном тракте, а чем большее давление на выпуске, тем быстрее будет вращаться турбинное колесо во впускном тракте. Соответственно, в цилиндры можно затолкнуть больше воздуха, подать больше топлива, сгенерировав больше выхлопных газов на выпуске. Подробно принцип работы рассмотрен в статье «Устройство турбины на пальцах«;
  • механический нагнетатель, известный еще как Supercharger или Kompressor. Нагнетатель раскручивается приводным ремнем от шкива коленчатого вала, поэтому выхлопные газы в работе компрессора никак не используются.

Турбина

Для контроля воздушного потока, а также сбрасывания избытка давления в горячей части используется wastegate. Избыточная скорость выхлопных газов приводит к тому, что воздушный поток срывается с лопастей колеса, снижая тем самым на ноль эффективность турбинного колеса. Также увеличение сечения выпускной системы, за которое и отвечает клапан вестгейта, уменьшает подпор выхлопных газов на высоких оборотах. Для повышения эффективности, уменьшение турбоямы и большей эластичности на авто устанавливаются турбины с изменяемой геометрией.

Интеркулер в системе турбонаддува предназначен для охлаждения воздушного потока. При повышении температуры плотность воздуха уменьшается, что ведет к уменьшению массы на единицу объема.

Характеристики системы

Особенности работы турбины:

  • наиболее эффективна в режиме высоких и средних оборотов;
  • очень низкая эффективность до момента, называемого выходом на буст. Еще больше ухудшает ситуацию уменьшение степени сжатия для предотвращения детонации. Поэтому у авто с одноступенчатой системой турбонаддува присутствует турбояма, или турболаг;
  • так или иначе, но присутствует противодействие выхлопным газам на выпуске, что немного ухудшает КПД двигателя, хоть в целом турбонаддув позволяет увеличить мощность ДВС;
  • повышаются требования к качеству и периодичности замены моторного масла.

Механический нагнетатель

  • отсутствует инерционность, присущая турбине. Нагнетание дополнительного воздушного заряда увеличивается пропорционально увеличению количества оборотов ДВС и продолжается до момента срыва потока из лопастей;
  • наиболее эффективны в режиме низких и средних оборотов;
  • небольшое снижение КПД двигателя вследствие дополнительных потерь на трение.

Эксплуатация

Наибольшего распространения система турбонаддува получила на дизельных двигателях. В высокотехнологичных моторах часто применяются двухступенчатые системы наддува:

  • Biturbo – одна маленькая турбина для прибавки в мощности на низких оборотах и большая турбина для высоких оборотов;
  • Турбина + механический нагнетатель. Конструкцию и принцип работы такой системы мы рассматривали на примере двигателей TSI от Volkswagen Group.

2556 — Стр 14

Системы подачи топлива и воздуха дизелей: учебное пособие

Турбины по конструктивному исполнению могут быть изобарными и импульсными. У импульсной турбины энергия газов в 1,3 раза больше, чем у изобарной, однако КПД на 10 – 15% ниже. Опыт эксплуатации турбин показывает, что при работе двигателя на основном номинальном режиме предпочтительнее изобарная турбина, а на режиме максимального крутящего момента – импульсная.

К входу турбины газ может подводиться изобарно (при постоянном давлении) и импульсно (лат. – удар, толчок). При изобарной системе выпускные патрубки всех цилиндров объединяются в общий коллектор и импульсы давления выравниваются. Изобарная система рекомендуется для двигателей, которые основное время работают на номинальном режиме (максимальная частота вращения вала и мощность двигателя). Данная система имеет простую конструкцию выпускного коллектора. Лопатки турбины работают при меньших колебаниях, и их надежность, долговечность увеличиваются. Более равномерное распределение воздуха независимо от числа цилиндров. К недостаткам следует отнести следующее:

1.При малых нагрузках имеет место обратный поток газов (давление газов в турбине больше давления воздуха на выходе из компрессора).

2.Двигатель обладает худшей приемистостью (способность быстро набирать скорость) по сравнению с импульсной турбиной.

Для двигателей, работающих основное время на режиме максимального крутящего момента (средние частоты вращения вала двигателя), целесообразно применять импульсные турбины. Для этой цели разделяют выпускные трубопроводы так, чтобы импульсы давления не смешивались.

На рис. 8.5 показан пример разделения выпускных трубопроводов для рядных и V- образных двигателей.

Более подробно рассмотрим методику создания системы импульсно-

го наддува на примере двигателя 4ЧН 13/14 мощностью 80 кВт при частоте вращения 1750 мин-1. Анализ фаз (греч. – появление) газораспределения показывает (рис. 8.6), что период выпуска составляет 2800. Между 1 и

4, а также 2 и 3 цилиндрами процесс выпуска отработавших газов составляет 3600 (см. табл. на рис. 8.6). Если объединить 1 и 4 выпускные патрубки 1 и 4 цилиндров, а также 2 и 3 цилиндров, то импульсы давления, создаваемые на выпуске, без изменения дойдут до турбины. На рис. 8.6 показаны импульсы волны давления на выпуске 1 и 4 цилиндров (Рвып)

[37].До периода продувки величина давления выпускных газов Рвып превышает значение давления наддува Рк. Но когда впускной и выпускной клапаны открыты (период продувки), то Рк становится больше Рвып. Продувка цилиндров от остаточных газов под действием перепада давления

~130 ~

Раздел второй. Системы подачи воздуха дизелей

становится более эффективной. Уменьшается работа на выталкивание отработавших газов.

Для эффективной работы системы наддува с импульсной турбиной необходимо в момент перекрытия клапанов (впускной и выпускной клапаны открыты), лучшей продувки, меньшей затраты энергии должно соблюдаться условие Рк > Рвып .

До периода продувки давление выпускных газов должно быть больше давления наддува Рвып > Рк. При этом подводится к турбине больше энергии выпускными газами. Это важно при работе двигателя на средних частотах (режим максимального крутящего момента).

Рис. 8.5. Примеры разделения выпускных трубопроводов и объединения их в группы при импульсной системе наддува

~131 ~

Системы подачи топлива и воздуха дизелей: учебное пособие

Рис. 8.6. Разделение цилиндров двигателя 4ЧН 13/14 и изменение давления на выпуске

При сжатии воздуха в компрессорах его температура повышается, а плотность снижается. При высоких давлениях наддува требуется охлаждение воздуха, что увеличивает его плотность и массовое наполнение,

~132 ~

Раздел второй. Системы подачи воздуха дизелей

снижает тепловую напряженность двигателя, увеличивает экономичность. При снижении температуры воздуха при наддуве на 10 оС мощность двигателя возрастает на 2–3%, а расход топлива снижается на 1%. Обычно нагретый воздух после компрессора охлаждают в теплообменных аппаратах (воздух – воздух, воздух – вода, воздух – топливо) [32].

8.2. Устройство агрегатов наддува

Рассмотрим современные конструкции агрегатов наддува.

На рис. 8.7 приведена конструкция роторного нагнетателя типа Рутс. В нем порции воздуха проталкиваются лопастями роторов к впускному коллектору. Вал нагнетателя жестко связан с коленчатым валом двигателя [33].

Рис. 8.7. Механический нагнетатель типа Рутс: 1 – корпус; 2 – вращающийся ротор

Как правило, механические нагнетатели приводятся во вращательное движение от коленчатого вала ремнем или шестеренной передачей. Преимущество – жёсткая связь с коленчатым валом двигателя, недостаток – работает за счёт мощности двигателя, снижая его КПД. Механические нагнетатели целесообразно применять на двигателях малой мощности. На рис. 8.8 представлена компоновка механического нагнетателя на двигателе.

~133 ~

Системы подачи топлива и воздуха дизелей: учебное пособие

Рис. 8.8. Компоновка на двигателе механического нагнетателя

Упрощенная схема агрегата наддува с газовой связью (динамического типа) приведена на рис. 8.9. Отработавшие газы двигателя, обладая энергией скорости, энергией давления, теплой (внутренней) энергией, поступают в улитку турбины, а из нее в радиальном (по радиусу) направлении поступают на криволинейные лопатки колеса турбины. Газы обтекают криволинейные лопатки, изменяют направление движения, приводят во вращение колесо и выходят в осевом направлении. Такие турбины называют радиальноосевыми. В них наиболее полно срабатывается энергия отработавших газов.

Рис. 8.9. Общая схема турбокомпрессора с радиально-осевой турбиной (ТКР)

~134 ~

Рис. 8.11. Турбокомпрессор с системой перепуска

части отработавших газов мимо турбины

~135 ~

с выпускным коллектором

выполненный совместно

Рис. 8.10. Турбокомпрессор,

На одном валу с турбиной жестко закреплено колесо компрессора. Турбина приводит колесо компрессора во вращательное движение. Колесо имеет криволинейные лопатки, которые захватывают частицы воздуха, увлекая их во вращательное движение. Под действием центробежной силы молекулы воздуха отбрасываются от центра колеса на периферию (окраину), приобретая кинетическую энергию (энергию скорости). В расширяющихся каналах (диффузорах, улитке) кинетическая энергия преобразуется в энергию давления (молекулы воздуха сближаются). На выходе из компрессора давление воздуха становится выше атмосферного, что обеспечивает наддув двигателя. В цилиндры двигателя поступает больше воздуха, что позволяет увеличить подачу топлива и повысить мощность двигателя.

На рис. 8.10 показан турбокомпрессор, выполненный совместно с выпускным коллектором и автоматическим регулированием давления воздуха в центробежном компрессоре.

На рис. 8.11 показана конструкция турбокомпрессора с перепуском части отработавших газов мимо турбины. Данный способ автоматического регулирования турбины позволяет перепускать часть отработавших газов, минуя колесо турбины. Отвод части энергии снижает (ограничивает) максимальные частоты вращения колеса турбины и давление воздуха на выходе из компрессора.

Раздел второй. Системы подачи воздуха дизелей

Системы подачи топлива и воздуха дизелей: учебное пособие

На рис. 8.12 показан общий вид турбокомпрессора. В разрезе видим колесо компрессора (с левой стороны) и турбины (с правой стороны).

Рис. 8.12. Турбокомпрессор:

1 – корпус компрессора; 2 – вал ротора; 3 – корпус турбины; 4 – колесо турбины; 5 – уплотнения; 6 – подшипники скольжения; 7 – корпус подшипников;

8 – колесо компрессора

Принципиальная схема турбины с изменяемой геометрией показана на рис. 8.13. Лопатки 4 и 5 могут поворачиваться при помощи кулачка 3 или подвижного кольца 2. Газ (А) входит в улитку турбины, плавно изменяя направление движения, и радиально поступает на лопатки колеса (Б). Газы обтекают лопатки колеса, отдают им свою энергию (кинетическая энергия переходит в энергию давления), приводя колесо во вращательное движение. От колеса газы выходят в осевом направлении, такие турбины называют радиально-осевыми.

~136 ~

Раздел второй. Системы подачи воздуха дизелей

На рис. 8.14 показан турбокомпрессор с электронным блоком управления. Исполнительный механизм электронного блока поворачивает лопатки соплового аппарата, изменяя угол входа газа на лопатки турбины, и соответственно частоту вращения колеса.

Рис. 8.13. Турбина

Рис. 8.14. Турбокомпрессор

с изменяемой геометрией

с электронным блоком управления

соплового аппарата (поворот лопаток)

 

На рис. 8.15 приведена система наддува двигателя, оборудованного двумя турбокомпрессорами. В зависимости от положения клапана (клапан закрыт), расположенного в выпускном коллекторе, отработавшие газы направляются последовательно в первую и вторую турбины (схема а). При открытом клапане (схема б) газы параллельно движутся к турбинам. При малых частотах вращения коленчатого вала двигателя (движение машины с места) работает в основном один турбокомпрессор высокого давления. С увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя открывается клапан и вступает в работу второй турбокомпрессор. Последовательная и параллельная работа турбокомпрессоров позволяют для разных скоростных и нагрузочных режимов обеспечивать оптимальную подачу воздуха с учётом поступающего в цилиндры количества топлива.

~137 ~

Системы подачи топлива и воздуха дизелей: учебное пособие

Рис. 8.15. Схема наддува двигателя с двумя турбокомпрессорами: а – последовательное включение; б – параллельное включение

Схема наддува с двумя последовательными турбокомпрессорами – это редкость в мире автомобильных двигателей (рис. 8.16). Раньше такой битурбонаддув применяли на двигателях фирмы Maserati, а нынче «двойной последовательный» наддув серийно применяет BMW, да и то на дизельных двигателях. Концерн Volkswagen предлагает новую схему – на Франкфуртском автосалоне демонстрировался первый в мире бензиновый мотор 1,4 FSI Twin-charger, в конструкции которого объединены непосредственный впрыск и соединенные последовательно турбокомпрессор и механический нагнетатель.

Идея такова. На малых оборотах наддув обеспечивает роторный компрессор типа Roots с приводом от коленчатого вала двигателя [30]. Агрегат, разработанный совместно с инженерами фирмы Eaton, уже при частоте вращения 1500 мин-1 развивает максимальное давление в 0,25 МПа. При частоте вращения более 2400 мин-1 к компрессору подключается турбокомпрессор, который после частоты 3500 мин-1 работает в одиночку. В итоге двигатель рабочим объёмом всего 1,4 л развивает мощность 140 кВт и крутящий момент 240 Н м как «атмосферник» с рабочим объёмом 2,3 л.

~138 ~

Раздел второй. Системы подачи воздуха дизелей

Рис. 8.16. Двойная система подачи воздуха с механическим и газотурбинным наддувом

Данная схема наддува на всех режимах работы двигателя обеспечивает требуемое количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива.

Контрольные вопросы и задания

1.С какой целью применяется наддув воздуха в цилиндры двигателя?

2.Как устроен компрессор объемного и центробежного типа?

3. Укажите преимущества и недостатки механического, газотурбинного, комбинированного наддува.

4.В чем заключается особенность системы наддува типа Гипербар?

5.Как конструктивно выполняют коллектор выпускных газов для создания системы импульсного наддува?

6.Какие вы знаете системы автоматического регулирования давления воздуха на выходе из компрессора?

7.Как работает двойная система подачи воздуха с механическим и газотурбинным наддувом?

8.Укажите конструктивные особенности системы наддува двигателя с двумя турбокомпрессорами, работающими последовательно и параллельно.

~139 ~

Избыточное давление. Всё про наддув

, Статьи

Всё про современные системы наддува

Наддув — самый доступный и простой способ увеличить мощность двигателя внутреннего сгорания. Теория проста: чтобы выросла отдача, нужно сжечь как можно больше топлива. Но для его горения необходим ещё и воздух. И если «налить» в цилиндры сколько угодно топлива проще простого (качай себе и качай мощным насосом), то с воздухом дело обстоит сложнее — для него тоже нужен своеобразный насос. И роль такого агрегата в двигателях играют нагнетатели. Вне зависимости от его типа, оснащённый наддувом двигатель обладает большей мощностью и крутящим моментом, чем аналогичный атмосферник. Почему это возможно, какие существуют конструкции и какие побочные эффекты имеет наддув? Рассказываем в нашей справке по современным системам.

История наддува

Впервые техническая идея загнать в автомобильный двигатель больше воздуха с помощью энергии вращения коленвала пришла в голову Готтлибу Даймлеру в 1885 году, а в 1905 году швейцарец Альфред Бюхи получил патент на аналогичную систему, работающую уже от энергии выхлопных газов. Но до реализации этих решений в автомобилях прошло некоторое время — первый серийный легковой автомобиль «наддули» с помощью приводного нагнетателя в 1921 году — им стал Mercedes-Benz. Турбонагнетатели же стали получать распространение в авиационных двигателях 1920-х годов, так как там было особенно важно справляться с потерей мощности по мере набора высоты, где плотность воздуха становится меньше. Вскоре газовые нагнетатели нашли своё применение и в грузоперевозках — прибавка в крутящем моменте оказалась для дизелей судов и локомотивов очень кстати. Первой легковушкой с турбонагнетателем под капотом стало купе-хардтоп Oldsmobile Jetfire с 215-сильным V8.

Вскоре турбина появилась и на Chevrolet Corvair Corsa (расположенный сзади 6-цилиндровый оппозитник воздушного охлаждения с наддувом был лишь одним из необычных технических решений этой экзотической машины), а после подоспели и европейцы в лице Porsche (911 Turbo в 1975 году) и Saab (99 Turbo 1978 года). А вот с наддувным дизельным седаном всех опередил производитель из Старого Света — в 1978 году появилась версия 300SD лимузина Mercedes-Benz W116. Вскоре дизельные автомобили приобрели в Европе огромную популярность, а турбонаддув стал неотъемлемой частью конструкции легкового дизеля. Существуют и грузовые дизели с приводными нагнетателями, но по ряду технологических причин эта схема не получила широкого распространения в автомобилестроении.

Какие существуют виды наддува

К механическим видам наддува (обычно под наддувом понимаются именно механические схемы) относят приводной компрессор и турбокомпрессор. Приводной нагнетатель, как правило, располагается вдоль блока рядного двигателя или в развале V-образного блока и приводится от коленвала с помощью ременной передачи, прессуя воздух парой винтовых роторов или крыльчаткой. Турбина же приводится в действие вылетающими из цилиндров в коллектор под большим давлением выхлопными газами и утрамбовывает воздух на впуске крыльчаткой. Обычно турбина находится сразу за выпускным коллектором или непосредственно интегрирована в него — как, например, в современных моторах группы Volkswagen.

Отдельно можно выделить эксперименты производителей с электротурбинами. Они не отбирают мощность у двигателя и лишены газовой турбоямы, так как колесо компрессора вращает электромотор. Впрочем, к этой схеме у производителей до сих пор остаётся немало вопросов, и подробнее об этом можно прочитать в нашем материале Audi завтрашнего дня. Кроме механического, существует ещё безагрегатный наддув. Так называют повышение давления на впуске с помощью сочетания скорости движения и особой формы и размеров впускных патрубков. Избыточное давление такого типа является мерой дополнительного форсирования преимущественно спортивных атмосферных двигателей. Примером заводской реализации такой схемы может служить впускной тракт хэтчбека Porsche Panamera в особой версии GTS.

Как устроен турбонагнетатель

Конструкция турбонагнетателя проста: на едином валу находятся две крыльчатки, каждая из которых вращается в своём корпусе, называемом в народе «улитка». Одну крыльчатку (в так называемой горячей улитке) вращает поток выхлопных газов, а связанная с ней единой осью вторая крыльчатка в холодной части крутится и трамбует во впускной тракт забираемый с улицы воздух. Таким образом, чем выше обороты работы двигателя, тем больше он вырабатывает газов и тем больше воздуха впоследствии получает. Идеальный замкнутый круг с бесконечным потенциалом повышения мощности?

Но всё не так просто. Во-первых, шатунно-поршневая группа каждого мотора рассчитана на определённые нагрузки, и превышение их приведёт к разрушению двигателя. Во избежание бесконтрольного роста давления наддува в горячей части нагнетателя предусмотрена специальная калитка-клапан под названием «вейстгейт» (в переводе — клапан для излишков), которая открывается с помощью пневматики или сервопривода при достижении пикового расчётного давления в системе. В результате «лишние» газы просто идут в обход турбинного колеса прямиком в выхлопной тракт и не раскручивают компрессор сверх меры. Как правило, в моторах есть и ещё одна страховка от «передува» — при превышении критического порога давления блок управления двигателем ограничивает увеличение подачи топлива на безопасной отметке, и мотор перестаёт производить слишком много выхлопных газов.

Эта анимация наглядно показывает как устроен и работает классический турбонагнетатель

Но в защите нуждается не только поршневая группа, но и сам турбокомпрессор. Представьте, что он уже «надул» много сжатого воздуха во впускной трубопровод, а водитель внезапно закрыл дроссель — ударившись в такое препятствие, сжатый воздух направится искать себе другую дорогу и обязательно найдёт её в противоположном направлении, где находится только что спрессовавшее его колесо компрессора. Возникающая в таком случае на крыльчатку нагрузка называется помпаж и воздействует на турбонагнетатель самым деструктивным образом. Для стравливания излишнего воздуха в районе впускного патрубка или интеркулера в систему встраивается ещё один перепускной клапан, который отправляет воздух обратно на впуск перед турбокомпрессором (тогда клапан называется байпасным) или в атмосферу (блоу-офф-клапан). Последняя разновидность «перепускников» как раз и порождает чихающие, свистящие и шипящие звуки тюнингованных автомобилей с турбонаддувом, которые можно услышать на улицах.

Ещё одна проблема уже эксплуатационного характера заключается в том, что на малых оборотах поток газов слишком мал, чтобы раскрутить вал турбокомпрессора для создания сколько-нибудь существенного давления и получения дополнительной мощности — в народе такая ситуация называется «турбоямой». Поэтому конструкторы систем наддува тщательно подбирают размеры «холодной» и «горячей» крыльчаток в зависимости от объёма двигателя и желаемого характера тяги. Например, в спортивной Audi Sport quattro турбина имеет огромную горячую часть и небольшую холодную, поэтому, чтобы раскрутить такой нагнетатель, нужно выйти на высокие обороты (3500-4000 об/мин и выше), но зато потом следует очень резкий бескомпромиссный подхват. А в современном гражданском Mini Countryman (мы совсем недавно ездили на обновлённой модели) с небольшим моторчиком объёмом 1,6 литра нагнетатель маленький, но зато легко раскручивается с минимальных оборотов, что удобно в городских условиях.

Чтобы понизить порог наддува, когда турбина создаёт избыточное давление, и сократить зону турбоямы, создатели турбокомпрессоров используют различные конструктивные ухищрения. Самые распространённые из них — крыльчатка с изменяемой геометрией и твинскролльная горячая «улитка». TwinScroll предусматривает два параллельных, но разного размера и формы канала для выхлопных газов в едином корпусе улитки — газы в каждый из каналов попадают от своей группы цилиндров, но крутят единое турбинное колесо. Его лопатки выполнены таким образом, что одинаково эффективно воспринимают импульсы из обоих каналов.

Из-за различной геометрии каналов и достигается хорошая тяга одновременно и на низких, и на средних и высоких оборотах, а отсутствие столкновения и завихрения потоков газов от разных групп цилиндров улучшает газодинамические свойства системы. Турбины же с изменяемой геометрией имеют специальные, приводимые актуатором, подвижные лопатки-заслонки, которые в разных положениях позволяют менять форму газового канала в горячей улитке (упрощённо — в разное время имитируют маленькую и большую турбину) и таким образом максимально эффективно в конкретный момент времени направлять на турбинное колесо поток выхлопных газов.

Принцип работы турбины с изменяемой геометрией можно изучить на примере дизельного нагнетателя компании Holset

Как устроен механический нагнетатель

В отличие от питающегося «бесплатными» выхлопными газами турбокомпрессора, механический нагнетатель приводится в движение энергией вращающегося коленвала. Соответственно, чтобы получить дополнительную мощность, двигатель сначала часть мощности отдаёт, поэтому КПД такого решения ниже. Но, тем не менее, производители не спешат отказываться от приводных нагнетателей, потому как они наделяют автомобиль моментальной тягой с самых низких оборотов — понятие турбоямы к приводным компрессорам практически неприменимо. Конструкция предусматривает ременную, цепную или реже передачу иного типа, которая вращает вал нагнетателя от коленвала мотора. Аналогично турбокомпрессору, нагнетатель прессует воздух и отправляет его под избыточным давлением во впускной коллектор. Наиболее похожий на турбокомпрессор вид приводного нагнетателя — центробежный. Он трамбует воздух аналогичным турбинным колесом, но приводится оно не выхлопными газами, а механически.

Эта анимация компании Eaton – одного из ведущих производителей компрессоров Roots-типа — объясняет принцип работы такого нагнетателя

Но самым первым компрессором, который применил в автомобилестроении Готлиб Даймлер, стал агрегат типа Roots, названный по имени своих создателей-братьев — изначально они разработали устройство для промышленных нужд. Такой нагнетатель представляет собой собранные в едином корпусе и находящиеся своими лопастями-кулачками в зацеплении два продолговатых ротора, которые своим вращением по направлению друг к другу захватывают и прокачивают воздух во впускной коллектор. Третья разновидность компрессоров — винтовые типа Lysholm — перекачивают и сжимают воздух с помощью сверлообразных несимметричных роторов, которые находятся в зацеплении. Благодаря уменьшающимся по направлению к выходу из компрессора воздушным камерам между шнеками осуществляется внутреннее сжатие воздуха, что обеспечивает большую в сравнении с Roots-нагнетателями эффективность системы. Аналогично газотурбинным схемам, развиваемое механическими компрессорами давление регулируется с помощью клапанов или муфт.

Комбинированные схемы агрегатного наддува

Как только системы наддува стали использоваться массово, инженеры стали думать над повышением их эффективности. Для борьбы с турбоямой, помимо вышеупомянутого твинскролльного наддува, используется схема с двумя последовательно дующими нагнетателями: это может быть маленькая турбина для низких оборотов в сочетании с большой для средних и высоких (так называемая архитектура твинтурбо; пример — Subaru Legacy в кузове BE/BH) или симбиоз приводного компрессора для низких оборотов и турбокомпрессора для средних и высоких. Последним прославилась компания Volkswagen со своим мотором 1.4 Twincharger, который обеспечивал плавный рост давления, но вместе с тем из-за сложности конструкции доставлял немало хлопот по части надёжности и обслуживания.

Однако две турбины одного мотора не обязательно отличаются размерами и работают последовательно: во многих современных наддувных моторах цилиндры условно делятся на две группы, и каждая из них обслуживается своим собственным нагнетателем. Однако инженерные изыскания порой порождают и более экзотические варианты: например, в новом трёхлитровом супердизеле BMW (381 л.с./740 Н•м) — три турбины! На низких оборотах работает первая маленькая турбина с изменяемой геометрией, на средних оборотах в дело включается большой нагнетатель, а на высоких прокачивать воздух в цилиндры помогает третий небольшой турбокомпрессор. Результат — водитель трёхлитровой машины ощущает под капотом литров так пять, да ещё и как будто с механическим нагнетателем, практически без турбоямы и лага. Ещё одна схема, пока не нашедшая серийного применения — электрическая турбина в качестве помощника обычному газовому компрессору, мы упоминали о ней выше.

На этой анимации компании BMW представлена схема работы нагнетателей первого в мире легкового двигателя с тремя турбинами

Охлаждение воздуха

Так как воздух в процессе прохождения через нагнетатель спрессовывается и соприкасается с горячими деталями агрегата, он нагревается и сам. Тёплый воздух имеет меньшую плотность, а порог разрушающей мотор детонации при использовании горячего воздуха становится ниже. Вот почему можно ощутить, что в жару автомобиль с наддувным двигателем «не едет» — в условиях недостатка воздуха (по сравнению с идеальными условиями) система управления двигателем готовит меньше горючей смеси, ограничивая до нужного соотношения и подачу топлива. Поэтому для охлаждения воздуха между нагнетателем и впускным коллектором в системах наддува предусмотрен промежуточный охладитель или, иными словами, интеркулер. Он представляет собой теплообменник (то есть радиатор), через который по пути в камеру сгорания проходит весь нагнетаемый воздух. По конструкции интеркулеры делятся на системы вида: «воздух-воздух» и «воздух-вода».

Первые дешевле в производстве, легче и в целом компактнее, но менее эффективны и дают меньшую гибкость в компоновке моторного отсека. Охлаждение наддувного воздуха осуществляется в них посредством попадающего на рёбра интеркулера набегающего воздуха через воздухозаборники переднего бампера (фронтальное расположение, например, у Mitsubishi Lancer Evolution и вообще у большинства современных автомобилей) или капота (Subaru Impreza WRX, Toyota Caldina GT-T и прочие автомобили с «ноздрёй» над мотором). Интеркулер же типа «воздух-вода» остужает воздух с помощью циркулирующей по встроенному контуру жидкости, имеющей отдельно вынесенный радиатор охлаждения. Такая система обеспечивает меньшую длину впускного тракта, а значит, и меньший турболаг, а также позволяет более гибко выбирать месторасположение кулера. Среди её минусов — повышенная сложность и масса конструкции, а соответственно и цена такого решения.

Пять мифов о турбонаддуве

Миф 1. Наддув снижает надёжность, турбины всё время ломаются

Пожалуй, это миф номер один, и доля правды в нём есть. Это связано с тем, что двигатель с наддувом имеет более сложную конструкцию, больше деталей и сложнее в проектировании, а значит — при прочих равных, — шанс, что в нём что-то сломается, выше, чем в случае с атмосферником. Однако конструктивные просчёты случаются и в безнаддувных моторах, поэтому удачная модель турбодвигателя не уступит в надёжности другому такому же удачному атмосфернику. Конечно, внутренние нагрузки в наддувных моторах выше, но каждый двигатель проектируется инженерами с учётом этих особенностей, поэтому все необходимые детали турбо- или компрессорного мотора изначально усилены. Сам по себе нагнетатель достаточно надёжен, но вследствие неправильной эксплуатации или конструктивных просчётов может выйти из строя, как и любая другая деталь. Даже если это случилось, то специализированные сервисы способны отремонтировать агрегат: для большинства современных моделей выпускаются запасные части и ремкомплекты, а точные измерения, необходимые для ремонта нагнетателя, вполне доступны квалифицированным мастерам. Резюме по мифу номер один: нагнетатель не является каким-либо особенно слабым звеном наддувного двигателя, а если его поломка и произошла, этот узел вполне поддаётся восстановлению или замене.

Миф 2. Автомобиль с наддувом потребляет больше топлива

Отчасти верно, но это касается, в основном, механических нагнетателей. Современные же турбированные двигатели создаются в основной своей массе именно с целью экономии топлива, так как в экономичном режиме вождения мотор с меньшим, чем у атмосферника сопоставимой мощности, рабочим объёмом потребляет меньше топлива, а в случае необходимости наддув даёт возможность распоряжаться существенной мощностью. Иными словами, много топлива расходуется только тогда, когда это действительно необходимо в соответствии с условиями движения. Повсеместный переход производителей на турбомоторы — лишнее тому подтверждение, ведь такое решение позволяет выпускать автомобили с более скромными показателями среднего расхода, а значит, и платить меньше обусловленных экологическим законодательством пошлин. Резюме по мифу номер два: современный автомобиль с турбонаддувом — это экономично.

Миф 3. Чем больше турбина, тем лучше

Размер нагнетателя — понятие, которое невозможно описать каким-то одним параметром. Это всегда совокупность размеров деталей компрессора, которые определяют его характеристики и совместимость системы с конкретным двигателем. В случае с турбокомпрессором основными и определяющими являются размеры и форма холодной и горячей частей, а производительность механического нагнетателя определяется габаритами винтовых элементов и соотношением диаметров приводных шкивов. Простой пример: если заменить турбину на автомобиле гольф-класса на узел от более объёмного мотора, то производимых компактным двигателем выхлопных газов может не хватить для эффективного раскручивания турбинного колеса, а значит, и компрессорная «холодная» крыльчатка не создаст нужного давления в системе. Некоторые турбокомпрессоры большего размера всё-таки помогут существенно увеличить мощность небольшого мотора, но доступна она будет только в узком диапазоне высоких оборотов, что удобно для трассы, но оборачивается чудовищной турбоямой в городе. Резюме по мифу номер три: размер нагнетателя требует инженерных расчётов и должен соответствовать параметрам двигателя и планируемым условиям эксплуатации автомобиля.

Миф 4. Владеть автомобилем с наддувом хлопотнее, чем обычным

В последние годы турбированные двигатели получили такое распространение, что далеко не все владельцы в курсе самого факта наличия нагнетателя под капотом. Разве владелице ярко-оранжевого Audi Q3 интересно, что шильдик TFSI на крышке багажника означает турбомотор? В эксплуатации современные автомобили с наддувом не требуют никаких особенных действий — нужно просто заливать соответствующее качественное топливо (не ниже 95 бензина в большинстве случаев и строго 98 для отдельных высокофорсированных моделей) и вовремя проходить регламентное обслуживание. Автомобили 10-20-летней давности с наддувными двигателями требовали более частого техобслуживания, однако сейчас у большинства производителей наддувные версии требуется загонять на сервис с той же регулярностью, что и атмосферные. Это стало возможным благодаря совершенствованию конструкции моторов, а также появлению новых видов масел.

Старые автомобили с наддувными моторами также боялись резкого глушения после «отжига» — детали турбины продолжали в таком случае вращаться по инерции, а подача масла уже прекращалась, что вело к повышенному износу. Для защиты механизма либо применялось устройство под названием турбо-таймер, которое давало поработать двигателю минуту-другую и затем автоматически его глушило, либо водитель сам ждал пару минут, прежде чем остановить мотор после активной поездки. Современные двигатели ничего подобного не требуют, так как система смазки турбокомпрессора рассчитана на такие условия. К примеру, на турбомоторах Volkswagen предусмотрена отдельная помпа, которая прокачивает через нагнетатель холодный антифриз после выключения зажигания. Резюме по мифу номер четыре: следите за качеством топлива и вовремя посещайте сервис — и можете не вдаваться в детали конструкции. Впрочем, это справедливо для любого автомобиля.

Миф 5. Наддув включается и отключается на определённых оборотах

Нагнетатель — это агрегат, который, как правило, всегда активен с самого момента запуска двигателя. Равно как с первым оборотом коленвала начинают вращаться приводящие механический компрессор шкивы, так даже на холостых оборотах мотор выделяет выхлопные газы, которые через горячую крыльчатку слегка вращают ось турбокомпрессора. Поэтому нагнетатель работает всегда, но вот быть эффективным начинает только с определённого момента. Порог, с которого нагнетатель создаёт избыточное давление, в каждой системе индивидуален, а рост давления может происходить быстро или медленно, но всегда относительно плавно. Резюме по мифу 5: нагнетатель не работает по принципу «вкл-выкл», а степень его участия в наполнении цилиндров воздухом зависит от оборотов двигателя. Исключение составляют системы, где присутствует более одного нагнетателя — в таких схемах обычно предусмотрено электронное управление потоками воздуха, и в зависимости от условий работы мотора специальные актуаторы и клапаны задействуют в нужный момент тот или иной компрессор.

Перспективы развития систем наддува

В настоящее время наблюдается всеобщая тенденция перехода на твинскролльные турбонагнетатели вкупе с уменьшением рабочего объёма двигателей. Эта схема практически не имеет недостатков: такой турбокомпрессор выходит на рабочее давление уже на низких оборотах и успешно «дует» вплоть до высоких. Таким образом, он успешно заменяет приводной нагнетатель в деле обеспечения тяги с самых низов, но при этом имеет более высокий коэффициент полезного действия и все преимущества традиционной турбины. А ровный, без «турбоям» и ярких подхватов, характер тяги делает вождение автомобилей с такими двигателями простым занятием для самого широкого круга водителей. Иной раз даже мы, откатавшие сотни разных машин журналисты, не сразу можем распознать наличие под капотом турбины. Но и приводные нагнетатели не потеряли окончательно своей актуальности. Во-первых, верность им сохраняют производители, для которых беспощадная тяга с самых низов является фирменной чертой характера. Типичный пример — компания Jaguar, чей 5-литровый V8 с механическим нагнетателем своей тягой и звуком пленил немало водительских сердец. Хотя тенденция неумолима: даже компания-первопроходец в области легкового приводного наддува, Mercedes-Benz, в последние годы совершила резкий переход на более эффективную турбокомпрессорную схему.

А во-вторых, компрессоры хороши для использования в… гибридах! Когда нужно состыковать тягу двигателя внутреннего сгорания и электромотора, более прогнозируемым и легко настраиваемым нагнетателем по словам инженеров некоторых автомобильных компаний является всё же механический. Один из примеров — Porsche Panamera S E-Hybrid, который мы недавно протестировали вместе с электрокаром Tesla Model S, а о ещё одном примере такой схемы мы расскажем вам уже на следующей неделе. Наконец, уменьшение рабочего объёма двигателя. Именно широкое распространение нагнетателей дало возможность производителям сделать моторы более компактными, лёгкими, малообъёмными и не жертвовать при этом мощностью. Такая игра идёт на всех уровнях легкового автопрома: взять хотя бы моторчики Fiat MultiAir (0,9 л) или Ford EcoBoost (1,0 л) для компактов, ещё недавно смехотворный для гольф-класса объём в 1,2 литра (например, Volkswagen TSI), распространённую ныне формулу «два-ноль-турбо» для автомобилей среднего класса, наддувные трёхлитровые «шестёрки» для больших седанов бизнес-сегмента и турбированные V8, которые пришли на смену атмосферным монстрам V10 и V12 в суперкарах.

Автор: Дмитрий Ласьков
Фотографии и иллюстрации компаний-производителей, из архива редакции и www.oldcarbrochures.com

Дмитрий Ласьков

Продолжение темы

Все новости

7 января 2022Почему мощность измеряют в лошадиных силах?

30 ноября 2021Как обслуживать автомобиль, чтобы ничего не потерять при продаже

16 ноября 2021Можно ли смешивать разные моторные масла?

26 октября 2021Посмотрите на российский аэромобиль без крыльев (фото)

11 октября 2021Стоит ли брать Honda Pilot с пробегом?

Что такое турбонаддув

Влад Клепач, DRIVE. RU

Несомненно, каждый из нас хоть раз в жизни замечал на обычном с виду автомобиле шильдик «turbo». Производители, как нарочно, делают эти шильдики небольшого размера и размещают в неприметных местах так, что непосвящённый прохожий не заметит и пройдёт мимо. А понимающий человек непременно остановится и заинтересуется автомобилем. Ниже приводится рассказ о причинах такого поведения.

Автомобильные конструкторы (с момента появления на свете этой профессии) постоянно озабочены проблемой повышения мощности моторов. Законы физики гласят, что мощность двигателя напрямую зависит от количества сжигаемого топлива за один рабочий цикл. Чем больше топлива мы сжигаем, тем больше мощность. И, скажем, захотелось нам увеличить «поголовье лошадей» под капотом — как это сделать? Тут-то нас и поджидают проблемы.

Дело в том, что для горения топлива необходим кислород. Так что в цилиндрах сгорает не топливо, а топливно-воздушная смесь. Мешать топливо с воздухом нужно не на глазок, а в определённом соотношении. К примеру, для бензиновых двигателей на одну часть топлива полагается 14–15 частей воздуха — в зависимости от режима работы, состава горючего и прочих факторов.

Как мы видим, воздуха требуется весьма много. Если мы увеличим подачу топлива (это не проблема), нам также придётся значительно увеличить и подачу воздуха. Обычные двигатели засасывают его самостоятельно из-за разницы давлений в цилиндре и в атмосфере. Зависимость получается прямая — чем больше объём цилиндра, тем больше кислорода в него попадёт на каждом цикле. Так и поступали американцы, выпуская огромные двигатели с умопомрачительным расходом горючего. А есть ли способ загнать в тот же объём больше воздуха?

Есть, и впервые придумал его господин Готтлиб Вильгельм Даймлер (Gottlieb Wilhelm Daimler). Знакомая фамилия? Ещё бы, именно она используется в названии DaimlerChrysler. Так вот, этот немец весьма неплохо соображал в моторах и ещё в 1885 году придумал, как загнать в них больше воздуха. Он догадался закачивать воздух в цилиндры с помощью нагнетателя, представлявшего собой вентилятор (компрессор), который получал вращение непосредственно от вала двигателя и загонял в цилиндры сжатый воздух.

Швейцарский инженер-изобретатель Альфред Бюхи (Alfred J. Buchi) пошёл ещё дальше. Он заведовал разработкой дизельных двигателей в компании Sulzer Brothers, и ему категорически не нравилось, что моторы были большими и тяжёлыми, а мощности развивали мало. Отнимать энергию у «движка», чтобы вращать приводной компрессор, ему также не хотелось. Поэтому в 1905 году господин Бюхи запатентовал первое в мире устройство нагнетания, которое использовало в качестве движителя энергию выхлопных газов. Проще говоря, он придумал турбонаддув.

Идея умного швейцарца проста, как всё гениальное. Как ветра вращают крылья мельницы, также и отработавшие газы крутят колесо с лопатками. Разница только в том, что колесо это очень маленькое, а лопаток очень много. Колесо с лопатками называется ротором турбины и посажено на один вал с колесом компрессора. Так что условно турбонагнетатель можно разделить на две части — ротор и компрессор. Ротор получает вращение от выхлопных газов, а соединённый с ним компрессор, работая в качестве «вентилятора», нагнетает дополнительный воздух в цилиндры. Вся эта мудрёная конструкция и называется турбокомпрессор (от латинских слов turbo — вихрь и compressio — сжатие) или турбонагнетатель.

В турбомоторе воздух, который попадает в цилиндры, часто приходится дополнительно охлаждать — тогда его давление можно будет сделать выше, загнав в цилиндр больше кислорода. Ведь сжать холодный воздух (уже в цилиндре ДВС) легче, чем горячий.

Воздух, проходящий через турбину, нагревается от сжатия, а также от деталей турбонаддува, разогретого выхлопными газами. Подаваемый в двигатель воздух охлаждают при помощи так называемого интеркулера (промежуточный охладитель). Это радиатор, установленный на пути воздуха от компрессора к цилиндрам мотора. Проходя через него, он отдаёт своё тепло атмосфере. А холодный воздух более плотный — значит, его можно загнать в цилиндр ещё больше.

Чем больше выхлопных газов попадает в турбину, тем быстрее она вращается и тем больше дополнительного воздуха поступает в цилиндры, тем выше мощность. Эффективность этого решения по сравнению, например, с приводным нагнетателем в том, что на «самообслуживание» наддува тратится совсем немного энергии двигателя — всего 1,5%. Дело в том, что ротор турбины получает энергию от выхлопных газов не за счёт их замедления, а за счёт их охлаждения — после турбины выхлопные газы идут по-прежнему быстро, но более холодные. Кроме того, затрачиваемая на сжатие воздуха даровая энергия повышает КПД двигателя. Да и возможность снять с меньшего рабочего объёма большую мощность означает меньшие потери на трение, меньший вес двигателя (и машины в целом). Всё это делает автомобили с турбонаддувом более экономичными в сравнении с их атмосферными собратьями равной мощности. Казалось бы, вот оно, счастье. Ан нет, не всё так просто. Проблемы только начались.

Во-первых, скорость вращения турбины может достигать 200 тысяч оборотов в минуту, во-вторых, температура раскалённых газов достигает, только попробуйте представить, 1000°C! Что всё это означает? То, что сделать турбонаддув, который сможет выдержать такие неслабые нагрузки длительное время, весьма дорого и непросто.

По этим причинам турбонаддув получил широкое распространение только во время Второй мировой войны, да и то только в авиации. В 50-х годах американская компания Caterpillar сумела приспособить его к своим тракторам, а умельцы из Cummins сконструировали первые турбодизели для своих грузовиков. На серийных легковых машинах турбомоторы появились и того позже. Случилось это в 1962 году, когда почти одновременно увидели свет Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza.

Но сложность и дороговизна конструкции — не единственные недостатки. Дело в том, что эффективность работы турбины сильно зависит от оборотов двигателя. На малых оборотах выхлопных газов немного, ротор раскрутился слабо, и компрессор почти не задувает в цилиндры дополнительный воздух. Поэтому бывает, что до трёх тысяч оборотов в минуту мотор совсем не тянет, и только потом, тысяч после четырёх-пяти, «выстреливает». Эта ложка дёгтя называется турбоямой. Причём чем больше турбина, тем она дольше будет раскручиваться. Поэтому моторы с очень высокой удельной мощностью и турбинами высокого давления, как правило, страдают турбоямой в первую очередь. А вот у турбин, создающих низкое давление, никаких провалов тяги почти нет, но и мощность они поднимают не очень сильно.

Почти избавиться от турбоямы помогает схема с последовательным наддувом, когда на малых оборотах двигателя работает небольшой малоинерционный турбокомпрессор, увеличивая тягу на «низах», а второй, побольше, включается на высоких оборотах с ростом давления на выпуске. В прошлом веке последовательный наддув использовался на суперкаре Porsche 959, а сегодня по такой схеме устроены, например, турбодизели фирм BMW и Land Rover. В бензиновых двигателях Volkswagen роль маленького «заводилы» играет приводной нагнетатель.

На рядных двигателях зачастую используется одиночный турбокомпрессор twin-scroll (пара «улиток») с двойным рабочим аппаратом. Каждая из «улиток» наполняется выхлопными газами от разных групп цилиндров. Но при этом обе подают газы на одну турбину, эффективно раскручивая её и на малых, и на больших оборотах

Но чаще по-прежнему встречается пара одинаковых турбокомпрессоров, параллельно обслуживающих отдельные группы цилиндров. Типичная схема для V-образных турбомоторов, где у каждого блока свой нагнетатель. Хотя двигатель V8 фирмы M GmbH, дебютировавший на автомобилях BMW X5 M и X6 M, оснащён перекрёстным выпускным коллектором, который позволяет компрессору twin-scroll получать выхлопные газы из цилиндров разных блоков, работающих в противофазе.

Заставить турбокомпрессор работать эффективнее во всём диапазоне оборотов, можно ещё изменяя геометрию рабочей части. В зависимости от оборотов внутри «улитки» поворачиваются специальные лопатки и варьируется форма сопла. В результате получается «супертурбина», хорошо работающая во всём диапазоне оборотов. Идеи эти витали в воздухе не один десяток лет, но реализовать их удалось относительно недавно. Причём сначала турбины с изменяемой геометрией появились на дизельных двигателях, благо, температура газов там значительно меньше. А из бензиновых автомобилей первый примерил такую турбину Porsche 911 Turbo.

Конструкцию турбомоторов довели до ума уже давно, а в последнее время их популярность резко возросла. Причём турбокомпрессоры оказалось перспективным не только в смысле форсирования моторов, но и с точки зрения повышения экономичности и чистоты выхлопа. Особенно актуально это для дизельных двигателей. Редкий дизель сегодня не несёт приставки «турбо». Ну а установка турбины на бензиновые моторы позволяет превратить обычный с виду автомобиль в настоящую «зажигалку». Ту самую, с маленьким, едва заметным шильдиком «turbo».

Чтобы следить за автомобильными новостями, подпишитесь на наши каналы в Телеграме или Яндекс-Дзене.

Тема 1.7. Понятие о наддуве.Виды наддува двигателей — FINDOUT.SU

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно — исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку «Продолжить», я принимаю политику конфиденциальности

План лекции:

1. Виды наддува судовых дизелей.

2.​Схемы газотурбинного и комбинированного наддува судовых дизелей.

Наддув дизелей

Наддувом называется способ повышения мощности двигателя при помощи подачи в рабочий цилиндр воздуха под давлением выше атмосферного для увеличения цикловой подачи топлива (цикловая подача топлива – это подача топлива за один цикл). Добавочная подача топлива является источником дополнительного подвода теплоты к рабочему телу в цилиндре, обеспечивающим повышение удельной эффективной работы цикла.

По сравнению со средним эффективным давлением реу дизелей без наддува, его значения при наддуве повышаются у четырехтактных двигателей в 2–4 раза, у двухтактных – в 1,5–2,7 раза. Так какревходит в формулу мощности, увеличение мощности при использовании наддува составит эти значения.

Наддув в зависимости от типа двигателя может осуществляться по разному – в зависимости от привода компрессора различают механический, газотурбинный и комбинированный наддув.

При механическом наддуве поршневой, ротативный или центробежный нагнетатель приводится в действие непосредственно от вала двигателя. Этот вид наддува всудовых ДВС в чистом виде не применяют, однако используют в комбинированном наддуве, когда для повышения давления воздуха используют энергию отработавших газов (газотурбинный наддув) и работу самого двигателя.

При газотурбинном наддуве сжатый воздух подается к цилиндрам двигателя специальным дополнительным механизмом – турбокомпрессором.

Турбокомпрессор представляет собой соединенные в одном корпусе центробежный компрессор и газовую турбину. Компрессор связан с двигателем только трубопроводом подачи воздуха к ресиверу, а турбина – трубопроводом подачи выхлопных газов от двигателя к сопловому аппарату (см. главу 4).

На рис. 29 приведена схема газотурбинного наддува четырехтакт-ного двигателя.

В оздух из окружающей среды всасывается компрессором4через приемный патрубок3, сжимается и подается через охладитель наддуво-чного воздуха5в ресивер6, откуда поступает в цилиндр через впускной клапан7(как было отмечено ранее, охлаждение воздуха применяют с целью снижения теплонапряженности и дополнительного повышения мощности дизеля).

Рабочее колесо компрессора, насаженное на общий вал с ротором газовой турбины, приводится в движение газовой турбиной 1. Газовая турбина приводится во вращение отработавшими в цилиндрах газами, которые поступают к ней от выпускных клапанов двигателя8через выпускные патрубки и трубопровод9и отводятся через патрубок2.

Мощность, развиваемая газовыми турбинами турбокомпрессоров судо-вых дизелей, составляет до 20% мощ-ности двигателя, поэтому дизеля с газотурбинным наддувом называют комбинированными турбопоршневыми двигателями. В газовой турбине утилизируется значительная часть остаточной энергии отработавших в ци-линдре газов, которая у двигателей без наддува уносится с газами в атмосферу.

При наддуве двухтактных дизелей, как правило, применяется комбинированный наддув с двухступенчатым сжатием воздуха. Обычно в качестве первой ступени сжатия используют турбокомпрессор, а в качестве второй ступени – подпоршневые полости цилиндров или приводной поршневой компрессор. Пример вариантов комбинированного наддува показан на рис. 30.

Из рисунка видно, что продукты сгорания через выхлопной клапан поступают в газовую турбину турбокомпрессора ТК. Газовая турбина имеет общий вал с компрессором, рабочее колесо которого всасывает воздух из машинно-котельного отделения. Далее лопатки компрессора разгоняют воздух, поступающий далее в расширяющийся канал улиткообразной формы, где за счет уменьшения скорости возрастает давление воздуха (на рисункеавидна именно компрессорная часть турбокомпрессора). Так как после сжатия температура воздуха повысилась, для увеличения плотности воздуха его охлаждают в холодильникеОНВ.

Далее охлажденный воздух попадает в воздушный ресивер ВР, который через продувочные окна сообщается с цилиндром двигателя. При ходе поршня к НМТ его донышко выполняет роль поршневого насоса, сжимая воздух, находящийся в подпоршневой полости и воздушном ресивере. Наддув и продувка цилиндра начинается после того, как верхняя кромка поршня откроет продувочные окна.

Следует подчеркнуть, что необходимость в применении комбинированного наддува в двухтактных дизелях возникает по двум причинам. Во-первых, так как отработавшие продукты сгорания из цилиндра выталкивает не поршень (как в четырехтактных двигателях), а воздух, его расход по сравнению с четырехтактным двигателем будет повышенным. Во-вторых, так как отходящие продукты сгорания разбавлены воздухом, мощность газовой турбины оказывается недостаточной для подачи в цилиндры необходимой массы воздуха при необходимом давлении.

В заключение следует отметить, что в зависимости от способа подвода газов к турбине и принципа использования энергии газов системы наддува судовых дизелей делятся на изобарные и импульсные.

Первые применяют преимущественно в двухтактных и среднеоборотных четырехтактных дизелях. В этом случае газы подводятся к газовой турбине из выхлопного коллектора большого объема, где давление незначительно меняется относительно среднего давления.

В импульсных системах наддува подвод газов к турбине осуществляется через короткие выпускные патрубки небольшого сечения, что позволяет дополнительно использовать энергию импульса давления выхлопных газов. Эти системы наддува применяют преимущественно в четырехтактных и некоторых двухтактных дизелях.

Контрольные вопросы:

1.​ Пояснить назначение наддува судовых ДВС.

2.​ Пояснить Принципиальную схему механического наддува.

3.Пояснить принципиальную схему газотурбинного наддува.

4.Дать определение схем наддува для двухтактных и четырёхтактных судовых дизелей.

5.Назвать среднее эффективное давление дизелей с наддувом и без наддува.

 

 

Воздухозаборники/компрессоры

Воздухозаборники
воздухозаборник газотурбинного двигателя либо встроен в саму раму, если двигатель установлен в планере. Он предназначен для обеспечения безтурбулентной подачи воздуха в компрессор первой ступени двигателя с минимальными потерями энергии на входе.

Для его удовлетворительной работы воздух должен поступать в компрессор с одинаковым давлением, равномерно распределенным по всей поверхности первой ступени.

Впускной патрубок типа Пито
Простейшая форма всасывающего патрубка – одновходовой патрубок круглого сечения. типа «Пито». Воздух обычно проходит непосредственно через воздухозаборник, когда он установлен на двигателях, установленных на крыле.

Однако это возможно для S-образного воздуховода при использовании на двигателях, установленных в нижней части киля самолета.

Воздухозаборник типа Пито максимально использует эффект тарана в воздухе из-за скорости движения самолета вперед и обеспечивает минимальную потерю давления тарана при изменении положения самолета.

При работающем двигателе неподвижного самолета давление на входе в компрессор ниже атмосферного давления. Это связано с тем, что компрессоры двигателей увеличивают скорость воздушного потока через воздухозаборник.

Дозвуковой впуск – обычно принимает форму расширяющегося воздуховода. При движении самолета с разумной скоростью происходит расхождение, уменьшение скорости воздушного потока между кромкой воздухозаборника и входом в компрессор, а во-вторых, увеличение давления воздуха на входе в компрессор. Однако при работающем двигателе на неподвижном самолете давление на входе в компрессор ниже атмосферного. Это связано с тем, что компрессор двигателя увеличивает скорость воздушного потока через воздухозаборник.

Дверцы вторичного воздухозаборника –

Требуются на некоторых самолетах, чтобы дополнительный поток воздуха достигал поверхности компрессора во время работы на высокой мощности, когда самолет неподвижен или движется с низкой скоростью.

Для сверхзвуковых (диффузорных) впусков требуется тип на впуске, поскольку двигатель не может работать со сверхзвуковым потоком воздуха.

Компрессоры
Для повышения КПД газотурбинного двигателя подаваемый в него воздух перед добавлением топлива должен быть сжат и сожжен в камерах сгорания.

Плюсы и минусы центробежного компрессора
Плюсы
Он надежнее, проще и дешевле в производстве, чем осевой.

Минусы Осевой компрессор
(40:1) может выдерживать более высокую степень сжатия, чем центробежный. (12:1)
осевой поток создает большую тягу

Принципы центробежного компрессора

По мере расхождения между лопастями рабочего колеса давление и скорость воздуха увеличиваются, когда он выходит наружу между ними. Воздух выходит из наконечника крыльчатки и проходит в секцию диффузора. Диффузорная секция представляет собой систему стационарных расходящихся воздуховодов, предназначенных для преобразования кинетической энергии воздушного потока в потенциальную энергию.

Кроме того, степень сжатия одного центробежного компрессора может быть в соотношении 4:1, что в результате означает, что давление на выходе компрессора будет в четыре раза больше, чем его давление на входе. не считается возможным иметь два центробежных компрессора/ступени (12:1)

P

Принципы осевого компрессора

Первая ступень представляет собой ряд лопаток несущего винта аэродинамического сечения, которые крепятся к диску, за которым следует один ряд лопаток статора. Лопатки статора крепятся к внешнему корпусу компрессора, а промежутки между лопатками ротора и лопатками статора образуют расходящиеся проходы. Внутри лопаток статора давление воздуха увеличивается за счет преобразования кинетической энергии в энергию давления. Давление повышается на каждой ступени в соотношении 1:1 или 1,2:1.
Для достижения степени сжатия, необходимой для мощных двигателей, многие ступени ротора должны быть установлены на один вал, который приводится в движение своей турбиной. (выходное давление (91P.S.I) 

Поэтому несколько ступеней ротора компрессора на одном валу, который приводится в движение турбиной, часто называют золотником.

Помпаж компрессора
Постепенное ухудшение скорости воздушного потока через двигатель, вызванное явлением остановки двигателя, в конечном итоге приведет к полному прекращению воздушного потока через двигатель.

В случае возникновения помпажа дроссельную заслонку соответствующего двигателя необходимо медленно закрыть и установить причину. В основном это вызвано либо неисправностью топливной системы, либо неправильным управлением двигателем.


Поддержание осевого направления потока воздуха
Пространство между барабаном ротора и наружным корпусом компрессора представляет собой воздушное кольцо.

Рекомендации по компрессору
Повышение степени сжатия компрессора усложняет обеспечение его эффективной работы во всем диапазоне скоростей.

Причины остановки компрессора
чрезмерный расход топлива  вызовет высокое противодавление в камере сгорания, что, в свою очередь, вызовет снижение осевой скорости воздуха, проходящего через компрессор.



Предотвращение остановки и помпажа
Плавная работа дроссельных заслонок обеспечит надежную и быструю реакцию двигателя. Пилот также должен хорошо знать об ограничениях, которые число оборотов и плотность окружающей среды накладывают на силовую установку, и соответствующим образом изменить управление двигателем 9. 0006

Регулятор расхода воздуха 

Регулируемые направляющие лопатки на входе — 
устанавливаются на двигатели, компрессор которых склонен к остановке на низких оборотах или во время разгона или торможения двигателя. Они установлены перед первой ступенью ротора, как показано на рисунке.
При сильном сжатии VIGV уменьшают закрутку воздушного потока, тем самым сохраняя правильный угол атаки воздуха, обтекающего лопасти несущего винта.

Переменные лопатки статора — чтобы свести к минимуму проблемы с воздушным потоком, которые могут возникнуть после первой ступени ротора, некоторые двигатели оснащены лопатками статора.

Продувка компрессора Воздух, отбираемый из секции компрессора газотурбинного двигателя для предотвращения остановки компрессора и работы систем наддува кабины и кондиционирования воздуха. Воздух также может отбираться из компрессора для контроля пограничного слоя.

Многозолотниковые компрессоры — Сконструированы из двух отдельных секций, высокого и низкого давления. В более мощных двигателях есть промежуточное давление.

Системы впуска авиационного газотурбинного двигателя

Впускное отверстие газотурбинного двигателя предназначено для обеспечения относительно бездеформационного потока воздуха в необходимом количестве на вход компрессора. [Рисунок 1] Во многих двигателях используются входные направляющие лопатки (IGV), которые помогают выпрямить воздушный поток и направить его на первые ступени компрессора. Равномерный и устойчивый поток воздуха необходим для предотвращения заклинивания компрессора (поток воздуха имеет тенденцию к остановке или изменению направления потока) и чрезмерной внутренней температуры двигателя в секции турбины. Обычно воздухозаборник считается частью планера, а не двигателем. Тем не менее, воздуховод очень важен для общей производительности двигателя и его способности создавать оптимальную тягу.

Рис. 1. Пример газотурбинного двигателя на входе

Газотурбинный двигатель потребляет значительно больший расход воздуха, чем поршневой двигатель. Входной канал для воздуха соответственно больше. Кроме того, это более важно для определения характеристик двигателя и самолета, особенно на высоких скоростях полета. Неэффективность впускного канала приводит к последовательному увеличению потерь через другие компоненты двигателя. Впуск варьируется в зависимости от типа газотурбинного двигателя. Небольшие турбовинтовые и турбовальные двигатели имеют меньший расход воздуха, чем большие турбовентиляторные двигатели, для которых требуется совершенно другой тип воздухозаборника. Во многих турбовинтовых, вспомогательных силовых установках и турбовальных двигателях используются экраны, закрывающие впускное отверстие для предотвращения повреждения посторонними предметами (FOD).

По мере увеличения скорости самолета тяга несколько уменьшается; когда скорость самолета достигает определенной точки, восстановление тарана компенсирует потери, вызванные увеличением скорости. Входное отверстие должно быть способно восстанавливать как можно большую часть общего давления свободного воздушного потока. Когда молекулы воздуха захватываются и начинают сжиматься на входе, большая часть потери давления восстанавливается. Это дополнительное давление на входе в двигатель увеличивает давление и приток воздуха к двигателю. Это известно как «восстановление поршня» или «восстановление полного давления». Впускной канал должен равномерно подавать воздух на вход компрессора с минимально возможной турбулентностью и колебаниями давления. Впускной канал двигателя также должен сводить к минимуму лобовое сопротивление самолета.

Падение давления воздуха на входе в двигатель вызвано трением воздуха по обеим сторонам воздуховода и изгибами системы воздуховодов. Плавный поток зависит от сведения к минимуму турбулентности при входе воздуха в воздуховод. На двигателях с низким расходом воздуха поворот воздушного потока позволяет уменьшить гондолу двигателя и уменьшить сопротивление. В турбовентиляторных двигателях воздуховод должен иметь достаточно прямое сечение, чтобы обеспечить плавный и равномерный поток воздуха из-за больших потоков воздуха. Выбор конфигурации входа в воздуховод диктуется расположением двигателя внутри самолета, а также воздушной скоростью, высотой и положением, на которые рассчитан самолет.

Канал с разделенным входом

Требования к высокоскоростным одно- или двухдвигательным военным самолетам, в которых пилот сидит низко в фюзеляже и близко к носу, затрудняют использование одновходового канала старого типа. воздуховод, который не используется на современных самолетах. Некоторая форма разделенного воздуховода, по которому воздух поступает с обеих сторон фюзеляжа, стала довольно широко использоваться. Этот разделенный воздуховод может быть либо входным отверстием в корневой части крыла, либо воздухозаборником с каждой стороны фюзеляжа. [Рисунок 2] Воздуховод любого типа представляет больше проблем для авиаконструктора, чем воздуховод с одним входом, из-за сложности получения достаточной площади воздухозаборника без чрезмерного сопротивления. Внутри проблема та же, что и при одновходовом воздуховоде: построить воздуховод разумной длины с как можно меньшим количеством изгибов. Часто используются ковши по бокам фюзеляжа. Эти боковые воздухозаборники расположены как можно дальше вперед, чтобы обеспечить постепенный изгиб по направлению к входному отверстию компрессора, благодаря чему характеристики воздушного потока приближаются к характеристикам воздуховода с одним входом. Иногда во входное отверстие бокового воздухозаборника помещают ряд поворотных лопастей, чтобы помочь выпрямить входящий воздушный поток и предотвратить турбулентность.

Рисунок 2. Пример воздуховода с раздельным входом вход. В типичном военном самолете, использующем турбореактивный двигатель или турбовентиляторный двигатель с малой двухконтурностью, требования к максимальному воздушному потоку таковы, что число Маха воздушного потока непосредственно перед лицом двигателя составляет менее 1 Маха. Воздушный поток через двигатель должен быть меньше числа Маха. 1 на все времена. Следовательно, при всех условиях полета скорость воздушного потока при его входе в воздухозаборный канал должна уменьшаться в канале до того, как воздушный поток будет готов войти в компрессор. Для этого впускные каналы спроектированы так, чтобы функционировать как диффузоры, уменьшая скорость и увеличивая статическое давление воздуха, проходящего через них. [Рисунок 3]

Рис. 3. Воздухозаборник действует как диффузор для уменьшения скорости воздушного потока и увеличения статического давления воздуха нисходящее направление. Следовательно, сверхзвуковой впускной канал следует этой общей конфигурации до тех пор, пока скорость входящего воздуха не уменьшится до 1 Маха. Затем площадь задней части канала увеличивается, поскольку эта часть должна действовать как дозвуковой диффузор. [Рисунок 4] На практике впускные каналы для сверхзвуковых самолетов соответствуют этой общей конструкции только в той мере, в какой это практически возможно, в зависимости от конструктивных особенностей самолета. Для очень высокоскоростных самолетов внутренняя площадь конфигурации воздуховода изменяется с помощью механического устройства по мере увеличения или уменьшения скорости самолета. Воздуховод этого типа обычно называют впускным воздуховодом с изменяемой геометрией.

Рис. 4. Задняя часть воздухозаборника, действующая как дозвуковой диффузор скорости полета. Один из них заключается в изменении площади или геометрии впускного канала с помощью подвижного ограничения, такого как пандус или клин, внутри канала. Другая система представляет собой нечто вроде перепускного устройства с переменным расходом воздуха, которое извлекает часть впускного воздушного потока из воздуховода перед двигателем. В некоторых случаях используется комбинация обеих систем.


Третий метод – использование ударной волны в воздушном потоке. Ударная волна — это тонкая область разрыва в потоке воздуха или газа, во время которой происходит резкое изменение скорости, давления, плотности и температуры воздуха или газа. Более сильные ударные волны вызывают большие изменения свойств воздуха или газа. В сверхзвуковом потоке воздуха, поступающего в канал, намеренно создается ударная волна с помощью какого-либо ограничения или небольшого препятствия, которое автоматически выдвигается в канал при больших числах Маха полета. Ударная волна приводит к диффузии воздушного потока, что, в свою очередь, снижает скорость воздушного потока. По крайней мере, в одной авиаустановке используются совместно ударный метод и метод вызывания диффузии с изменяемой геометрией. То же устройство, которое изменяет площадь воздуховода, также создает ударную волну, которая еще больше снижает скорость входящего воздуха внутри воздуховода. Величина изменения площади воздуховода и величина удара автоматически меняются в зависимости от воздушной скорости самолета.

Решетки на входе компрессора

Чтобы предотвратить попадание в двигатель каких-либо предметов, которые могут быть втянуты во впуск, иногда на воздухозаборнике двигателя в каком-то месте вдоль впускного канала устанавливается экран на входе компрессора. Двигатели со впускными фильтрами, такие как турбовинтовые [Рисунок 5] и ВСУ [Рисунок 6], менее уязвимы к FOD. Преимущества и недостатки экрана различаются. Если двигатель легко подвергается внутреннему повреждению, как в случае двигателя с осевым компрессором, оснащенным алюминиевыми лопатками компрессора, впускной экран почти необходим.

Рисунок 5. Пример турбоприза, который включает в себя экраны на входе
.

Экраны, однако, существенно увеличивают потери давления во впускном канале и очень чувствительны к обледенению. Неудача из-за усталости также является проблемой. Неисправный экран иногда может нанести больше вреда, чем отсутствие экрана. В некоторых случаях воздухозаборные экраны делаются убирающимися и могут быть убраны из воздушного потока после взлета или при преобладании условий обледенения. Такие экраны подвержены механическим повреждениям и увеличивают вес и объем установки. В больших турбовентиляторных двигателях со стальными или титановыми лопатками компрессора (вентилятора), которые нелегко повредить, недостатки экранов компрессора перевешивают преимущества, поэтому они обычно не используются.


Впускной патрубок компрессора

Впускной патрубок обычно устанавливается на двигатель, проходящий испытания в испытательной камере. [Рисунок 7] Как правило, он оснащен датчиками, которые с помощью приборов могут измерять температуру и давление на входе (общее и статическое). [Рисунок 8] Во время испытаний важно, чтобы внешний статический воздух поступал в двигатель с минимальным сопротивлением. Раструб крепится к подвижной части испытательного стенда и перемещается вместе с двигателем. Упорный стенд состоит из двух частей: неподвижной и подвижной. Это делается для того, чтобы подвижный компонент мог прижиматься к тензодатчику и измерять тягу во время испытаний двигателя. Раструб разработан с единственной целью получения очень высокой аэродинамической эффективности. По сути, входное отверстие представляет собой воронку в форме колокола с тщательно закругленными плечами, которые практически не создают сопротивления воздуха. [Рисунок 7] Потери в воздуховоде настолько незначительны, что считаются нулевыми. Таким образом, двигатель может эксплуатироваться без осложнений, связанных с потерями, характерными для установленного воздухозаборника самолета. Данные о характеристиках двигателя, такие как номинальная тяга и удельный расход топлива по тяге, получаются при использовании раструбного впуска. Обычно входы снабжены защитным экраном. В этом случае следует учитывать потерю КПД при прохождении воздуха через экран, когда необходимы очень точные данные двигателя.

Рисунок 7. Вход в колокольчик, используемый во время системных тестов
Рисунок. Рисунок 8. В рамках ябачника в яблоке в рамках Agalmath.

Впускные патрубки турбовинтовых и турбовальных компрессоров

Впускной патрубок турбовинтового двигателя представляет большую проблему, чем некоторые другие газотурбинные двигатели, поскольку в дополнение к другим конструктивным факторам впускного патрубка необходимо учитывать приводной вал гребного винта, ступицу и обтекатель. Канальное расположение обычно считается лучшей конструкцией впуска турбовинтового двигателя с точки зрения воздушного потока и аэродинамических характеристик. [Рисунок 9] Впускное отверстие для многих типов турбовинтовых двигателей защищено от обледенения за счет использования электрических элементов в кромочном отверстии впускного отверстия. Воздуховоды любой части двигателя или гондолы направляют поток воздуха на впуск двигателя. Дефлекторные дверцы иногда используются для отвода льда или грязи от воздухозаборника. [Рис. 10] В некоторых моделях воздух затем проходит через экран и попадает в двигатель. Конический кок, не позволяющий нарастать льду на поверхности, иногда используется с турбовинтовыми и ТРДД. В любом случае расположение вращателя и впускного канала играет важную роль в работе и характеристиках двигателя.

Рисунок 9. Пример протяженного расположения на двигателе Turboprop
96.

Входные секции ТРДД

ТРДД с большим байпасом обычно имеют вентилятор в передней части компрессора. Типичная впускная секция ТРДД показана на рисунке 11. Иногда впускной кожух крепится болтами к передней части двигателя и обеспечивает проход воздуха в двигатель. В двигателях с двумя компрессорами (двухзолотниковыми) вентилятор объединен с относительно медленно вращающимся компрессором низкого давления, что позволяет лопастям вентилятора вращаться с низкой скоростью вращения для достижения максимальной эффективности вентилятора. Вентилятор позволяет использовать обычный впускной воздуховод, что приводит к низким потерям в воздуховоде. Вентилятор уменьшает повреждение двигателя от заглатываемого постороннего материала, потому что большая часть любого материала, который может быть проглочен, выбрасывается радиально наружу и проходит через выпускное отверстие вентилятора, а не через сердцевину двигателя. Теплый отбираемый воздух вытягивается из двигателя и циркулирует по внутренней стороне впускной кромки для защиты от обледенения. Ступица вентилятора или спиннер либо нагреваются теплым воздухом, либо имеют коническую форму, как упоминалось ранее. Внутри входного отверстия у кончиков лопастей вентилятора находится истираемая полоса трения, которая позволяет лопастям вентилятора на короткое время тереться из-за изменения траектории полета. [Рис. 12] Кроме того, внутри воздухозаборника имеются звукоизоляционные материалы для снижения шума, создаваемого вентилятором.

Рисунок 11. Типичная сечение турбовина
Рисунок. траектория полета

Вентилятор на двигателях с большим байпасом состоит из одной ступени вращающихся лопастей и стационарных лопастей, диаметр которых может варьироваться от менее 84 дюймов до более 112 дюймов. [Рис. 13] Лопасти вентилятора изготовлены из полого титана или композитных материалов. Воздух, разгоняемый внешней частью лопаток вентилятора, образует вторичный воздушный поток, который отводится за борт, не проходя через основной двигатель. Этот вторичный воздух (вентиляторный поток) создает 80 процентов тяги в двигателях с большой степенью двухконтурности. Воздух, проходящий через внутреннюю часть лопастей вентилятора, становится основным воздушным потоком (основным потоком) через сам двигатель. [Рисунок 13]

Рис. 13. Воздух, проходящий через внутреннюю часть лопастей вентилятора, становится основным воздушным потоком одним из двух способов:

1. На наружный воздух через короткие воздуховоды (двойные выхлопные патрубки) непосредственно за вентилятором. [Рисунок 14]

Рисунок 14. Воздух из выхлопа вентилятора может быть выпущен за борт через короткие воздуховоды непосредственно за вентилятором

2. Канальный вентилятор, в котором используются закрытые каналы до задней части двигателя, где воздух выбрасывается наружу через смешанное выхлопное сопло. Двигатель этого типа называется канальным вентилятором, и основной воздушный поток и воздушный поток вентилятора смешиваются в общем выхлопном сопле.

СВЯЗАННЫЕ СООБЩЕНИЯ

ВОЗДУХОЗАБОРНИК ДЛЯ ТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ЛА

Настоящее изобретение относится к области потоков жидкости вдоль поверхности, где имеется значительное отклонение, и относится к воздухозаборникам авиационных двигателей. Известный уровень техники включает, в частности, публикацию заявки на патент США № 2008/156187 A1, публикацию заявки на патент ЕР № 2009.263 A2, публикации заявки на патент Франции № 3023322 A1 и патента США No. 5447283 А.

Воздухозаборник газотурбинного двигателя, в частности авиационного газотурбинного двигателя, предназначен для направления воздуха от воздухозаборника газотурбинного двигателя к газогенератору. Некоторые газотурбинные двигатели, такие как двигатели с воздушными винтами без воздуховодов, например, турбовинтовые двигатели или двигатели типа с парой винтов, вращающихся в противоположных направлениях, могут иметь воздухозаборник в газотурбинном двигателе, ось которого отличается от оси воздухозаборника в газогенератор, от которого приводится в движение воздушный винт. Их оси могут быть смещены. Как правило, это относится к турбовинтовым двигателям, в которых ось воздушного винта смещена относительно оси газогенератора. Это также может иметь место в передней части двигателя с парой винтов, вращающихся в противоположных направлениях. ИНЖИР. 1 показан такой газотурбинный двигатель с двумя воздухозаборниками, оси которых смещены по отношению к газотурбинному двигателю. Таким образом, воздухозаборный вал или воздуховод содержит область, в которой воздушный поток подвергается значительному отклонению.

При этом воздухозаборный канал содержит между воздухозаборником и газогенератором промежуточное сечение, имеющее относительно сложную форму, и, если применимо, канал для удаления частиц, образующий ловушку, которая проходит в гондолы по существу вдоль оси воздухозаборника и позволяет удалять инородные тела во избежание их попадания в газогенератор.

При виде сбоку промежуточное сечение имеет общую форму гусиной шеи, передний конец которой соединен с воздухозаборником в гондоле, а нижний конец — с воздухозаборником в газовой генератор по каналу питания. Подающий канал расположен радиально внутрь по отношению к отводящему каналу, а промежуточное сечение содержит часть для соединения одного канала с другим. Существуют и другие типы воздухозаборников, каждый из которых содержит соединительную часть, образующую отвод воздушного потока.

Впускной воздуховод предназначен для максимально однородного снабжения газогенератора воздухом. Однако указанная сложная форма трубы создает перекосы в воздушном потоке, питающем газогенератор, что отрицательно сказывается на характеристиках и работоспособности ГДТ. Это искажение в основном связано со срывом воздушных потоков, вызванным значительным отклонением воздушного потока в упомянутом выше промежуточном сечении.

Одно из решений этой проблемы состоит во включении вихревых генераторов в передний конец воздухозаборного канала для возбуждения пограничного слоя и уменьшения осыпания. Это может быть связано, например, с транспонированием пассивных устройств, в которых используются вихреобразующие средства, предназначенные для управления сбросом воздуха на лопатки газотурбинных двигателей. FR 2976634 на имя настоящего заявителя описывает устройство такого типа. К сожалению, оказывается, что, хотя это решение является практичным, оно недостаточно эффективно для данного типа конструкции. Действительно, в области отвода канал открывается очень значительно, и разрывы, необходимые для ограничения отслаивания пограничного слоя, не могут быть обеспечены устройством этого типа.

Другое решение, известное из предшествующего уровня техники, включает в себя систему для активного контроля осыпания пограничного слоя в воздухозаборных каналах, имеющих значительные отклонения. Например, известны устройства, всасывающие воздух в пограничный слой циркулирующего в канале потока, что препятствует срыву потока, или нагнетающие воздух с очень большой скоростью параллельно стенке с тем, чтобы локально увеличить количество движения внутренней области пограничного слоя и задержать отслоение пограничного слоя и/или уменьшить его интенсивность. Устройства такого типа сложны и требуют установки элементов для циркуляции воздуха путем всасывания или нагнетания в отсеке гондолы или рядом с воздуховодом.

Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить систему, которая позволяет целенаправленно уменьшать потери потока во впускном воздуховоде и, таким образом, уменьшать деформацию в области компрессора при минимальном воздействии максимально по работоспособности и эффективности.

Это краткое изложение предназначено для ознакомления с набором концепций в упрощенной форме, которые дополнительно описаны ниже в Подробном описании. Это краткое изложение не предназначено для определения ключевых характеристик заявленного объекта, а также не предназначено для использования в качестве помощи в определении объема заявленного объекта.

Изобретение предлагает воздухозаборник газотурбинного двигателя, в частности авиационного газотурбинного двигателя, содержащий газогенератор, который проходит в осевом направлении между воздухозаборником и газогенератором и имеет первую осевую часть и вторую часть, расположенную под углом смещение по отношению к первой части, при этом канал способен вызывать в области осыпания осыпание пограничного слоя, образованного потоком воздуха вдоль стенки канала; изобретение также предлагает устройство для контроля упомянутого осыпания пограничного слоя.

Согласно изобретению воздуховод отличается тем, что регулирующее устройство содержит воздуходувную трубу, которая выходит через, по крайней мере, одно отверстие для нагнетания воздуха, расположенное непосредственно перед водосбросной зоной, в пограничный слой, образованный вдоль стенки воздуховода, при этом нагнетательная труба соединена с воздухозаборником, расположенным выше по потоку от отверстия для нагнетания воздуха или в зоне сброса, и содержит средство воздушного компрессора между воздухозаборником и отверстием для нагнетания воздуха.

В соответствии с другим признаком отверстие для нагнетания воздуха в пограничном слое расположено непосредственно перед упомянутой второй смещенной частью воздуховода. Отверстие может иметь различную форму, как правило, одну или несколько щелей, и расположено непосредственно перед частью стенки, имеющей кривизну, которая наклонена к оси газогенератора.

В соответствии с одним из вариантов воздухозаборник либо расположен на первой осевой части стенки воздуховода, где пограничный слой приклеен к стенке, либо стенка образует выступ на его входном отверстии с канавкой, при этом воздухозаборник расположен в указанной канавке.

В соответствии с предпочтительным вариантом воздухозаборник расположен ниже по потоку от отверстия для впрыска, вдоль части стены, в зоне сброса. Преимущество последнего решения состоит в том, что оно позволяет использовать компактное устройство из-за близости воздухозаборника и инжекционного отверстия.

В случае поломки системы продувки целесообразно иметь запорный клапан по крайней мере на одном из воздухозаборных и нагнетательных отверстий. Предпочтительно воздухозаборник и инжекционное отверстие снабжены клапаном, при этом указанные клапаны управляются одной и той же системой управления, имеющей, например, один и тот же двигатель для двух клапанов. Это препятствует установлению неуправляемых потоков воздуха и нарушению пограничного слоя в области впрыска.

Настоящее изобретение применимо ко всем воздухозаборникам, которые подвержены значительному отклонению, приводящему к отслаиванию пограничного слоя, например, в двигателе с воздушными винтами без воздуховодов, таком как турбовинтовой двигатель или двигатель с парой винтов, вращающихся в противоположных направлениях.

Таким образом, изобретение также относится к авиационному газотурбинному двигателю с воздушными винтами без воздуховода, такому как турбовинтовой двигатель или двигатель с парой винтов, вращающихся в противоположных направлениях, с воздухозаборным каналом, имеющим такие характеристики. В частности, изобретение относится к газотурбинному двигателю, воздухозаборник которого содержит осевую часть и промежуточную часть, при этом промежуточная часть делит осевую часть на две части канала, а именно часть, смещенную под углом относительно указанной осевой части ( соединенный, например, с каналом, который снабжает газогенератор воздухом) и часть (способную образовывать ловушку для частиц) в осевом продолжении указанной осевой части.

Таким образом, настоящее изобретение предлагает простое, эффективное и экономичное решение.

Вышеизложенные аспекты и многие сопутствующие преимущества настоящего изобретения станут более понятными по мере того, как они будут лучше поняты при обращении к следующему подробному описанию в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:

РИС. 1 представляет собой вид в перспективе в разрезе двигателя с открытым ротором, показывающий воздухозаборный канал, к которому относится изобретение;

РИС. 2 — схема, показывающая явление осыпания пограничного слоя, когда начинается значительное отклонение стенки;

РИС. 3 представляет собой схему, показывающую первый вариант осуществления изобретения;

РИС. 4 представляет собой схему, показывающую второй вариант осуществления изобретения;

РИС. 5 представляет собой схему, показывающую третий вариант осуществления изобретения; и

РИС. 6 представляет собой схему, показывающую четвертый вариант осуществления изобретения.

Сначала делается ссылка на фиг. 1, на котором показан пример двигателя с парой винтов без воздуховода, также известного как «открытый ротор», на виде спереди в трехчетвертном осевом сечении. Газотурбинный двигатель содержит в передней части два вращающихся в противоположных направлениях воздушных винта 9.0403 11 с приводом от двигателя, расположенного на продолжении оси пары гребных винтов 11 . Непосредственно ниже по потоку два воздухозаборника 10 и 12 на гондоле снабжают газогенератор (не показан на этом чертеже) воздухом. Воздухозаборники 10 и 12 расположены по обе стороны корпуса 13 (в данном случае сверху и снизу), в котором расположены приводной механизм и механизм управления парой гребных винтов 11 размещен. The inlets 10 and 12 have a lip 10 a and 12 a forming a leading edge and communicating with two air inlet ducts 16 and 18 which have an oblong cross section here . Эти два канала 16 и 18 сходятся, образуя единый кольцевой канал 14 , который находится после корпуса 13 и образует канал 14 для подачи воздуха в газогенератор. Поскольку два входа 10 и 12 радиально удалены от оси двигателя X-X’, два канала или вала 16 и 18 имеют переходную часть, которая радиально наклонена так, чтобы соединиться с кольцевым питающим каналом 14 . Что касается воздуховода 18 , то профиль стенки, который в радиальном направлении ближе всего к оси, имеет первую часть 18 A, которая удалена от оси, и вторую часть 18 D, которая наклонена к оси и связано с частью 18 E канала 14 питающего двигатель. То же самое относится к воздухозаборному каналу 16 . Воздуховод 18 расширяется на входе во вторую часть 18 D стенки, наклоненной к оси, за счет наличия ловушки для частиц и инородных тел. Воздушный поток, протекающий по воздухозаборному каналу 18 , в этой области подвергается значительному отклонению, частицы следуют по осевой траектории к каналу ловушки 9. 0403 15 , образующий третью часть воздуховода. Следует отметить поперечный отвод 15 S между каналом 15 , образующим третью часть канала, и частью канала, ведущей в канал 14 , питающий газогенератор. Аэродинамические условия способны вызвать осыпание пограничного слоя вдоль внутренней стенки при переходе указанного слоя от первой части 18 А, параллельной оси двигателя, ко второй наклонной части 18 D. Эта область называется областью осыпания. Осыпание нарушает поток и создает искажения, которые влияют на производительность и работоспособность нижестоящего газогенератора.

Согласно изобретению для пограничного слоя устроено устройство активного контроля.

На РИС. 3, согласно первому варианту осуществления, при наличии канавки 12 g между выступом 12 a воздухозаборного канала 18 и гондолой можно извлечь выгоду из того, что канавка представляет собой область остановки потока и что статическое давление в этой области повышено. Кроме того, ниже по потоку в воздуховоде статическое давление слабее из-за локального пониженного давления, вызванного отклонением стенки. Эта разница давлений используется для того, чтобы устроить забор воздуха 22 в канавке и для создания вдува 24 в пограничном слое, в частности в области части стенки между осевой частью 18 А и смещенной частью 18 D, имеющей кривизну, которая наклонен к оси газотурбинного двигателя. Как упоминалось выше, воздух, который вдувается параллельно с высокой скоростью, позволяет увеличить величину движения внутренней области пограничного слоя, чтобы предотвратить осыпание пограничного слоя. Клапаны (не показаны) могут быть предусмотрены для управления нагнетанием воздуха.

Другим преимуществом этого решения является то, что, создавая локальную рециркуляцию в канавке, область остановки, расположенная в канавке, оказывает отрицательное влияние на сопротивление гондолы и, возможно, на количество потока, захватываемого воздухозаборником. Область остановки и, следовательно, связанные с ней неблагоприятные эффекты уменьшаются за счет удаления воздуха из канавки.

Хотя разница в давлении значительна, желательно предусмотреть компрессионное средство 26 между воздухозаборником 22 и нагнетатель 24 для того, чтобы способствовать подсосу потока в канавку 12 г.

Другой вариант осуществления описан со ссылкой на фиг. 4. Этот вариант осуществления заключается в отборе потока из области отрыва, где происходит отрыв пограничного слоя, для нагнетания указанного потока выше по течению от области, в которой происходит отрыв пограничного слоя. Это позволяет как возбудить пограничный слой, так и затем уменьшить протяженность осыпания за счет оптимального использования преимуществ, обеспечиваемых всасыванием и вдувом потока вблизи стенки. На практике снятие 122 размещается в смещенной части стены 18 D и ниже части, имеющей кривизну. В этой области воздуховод образует так называемую напорную камеру. Воздух, отбираемый в 122 , сжимается с помощью компрессионного устройства 126 и нагнетается в 124 через одно или несколько отверстий в стене, которые предпочтительно расположены в области, имеющей кривизну, между осевой частью 18 A и смещенная часть 18 D.

РИС. 5 показан вариант осуществления 220 , имеющий компрессор 226 и систему 227 для управления клапанами 223 и 225 , которые управляют впуском воздуха 222 и нагнетанием 924403 4 соответственно.

Клапаны предпочтительно открываются на этапе взлета самолета, когда турбулентность в канале потока максимальна.

РИС. 6 показан вариант 320 , в котором воздухозаборник 322 расположен выше по потоку от области 324 подачи воздуха, предпочтительно рядом с ней. Воздух нагнетается через отверстия, расположенные непосредственно перед областью, в которой пограничный слой может сбрасываться, например, перед изгибом между осевой частью 18 A и смещенной частью 18 D. Здесь снова компрессор 326 позволяет увеличить давление между забором воздуха и нагнетанием. Система 327 управляет клапанами 323 и 325 , как и в предыдущем решении.

Решение изобретения было описано для впускного воздуховода 18 , имеющего конструкцию на фиг. 1. Это решение также относится к впускному воздуховоду 16 .

Хотя иллюстративные варианты осуществления были проиллюстрированы и описаны, следует понимать, что в них могут быть внесены различные изменения без отклонения от сущности и объема изобретения.

впуск — Если впуск работающего реактивного двигателя будет заблокирован на некоторое короткое время, какова будет после этого последовательность событий?

Это объяснение для дозвукового самолета, аналогичный процесс происходит на более высоких скоростях.

Причины

Птица, предмет или лед могут нарушить поток воздуха, поступающего в двигатель. Еще одним источником срыва компрессора является чрезмерный угол наклона двигателя по отношению к воздушному потоку, когда создается большой шаг или краб, или при попадании в след от впереди идущего самолета.

Немедленный эффект

Независимо от случая, если поток выходит за пределы рабочей зоны в каком-либо месте компрессора двигателя, может наблюдаться аэродинамический срыв компрессора точно так же, как срыв крыла:


Срыв профиль в аэродинамической трубе, отрыв потока и турбулентность видны. Источник

Пограничный слой воздуха отрывается от поверхности лопаток компрессора и становится неустойчивым.

Ступени компрессора изготавливаются из вращающихся лопаток и неподвижных лопаток, ограничивающих малые каналы:


Источник

Проблема развивается из области низкого массового расхода, при этом диспропорции увеличиваются до тех пор, пока поток не остановится, в процессе, называемом вращающимся срывом :

  • Проход заблокирован медленным воздухом (отделенный пограничный слой выделены оранжевым), воздух вверх по течению пытается использовать следующий проход:

  • Несмотря на то, что следующий проход достигается под большим углом атаки, это условие приводит к остановке и этого прохода.

  • Этот эффект быстро распространяется от одной лопатки к другой на ступени компрессора.

Так как проходы заблокированы отрывным воздухом над свалившимися аэродинамическими профилями, давление в проходах и выше по потоку возрастает:

  • Отрывной поток воздуха очень турбулентный с изменяющейся скоростью (включая отрицательные значения).

  • Заглохшие ячейки продолжают вращаться со скоростью, составляющей часть скорости вращения компрессора, давление вокруг лопаток периодически меняется.

Могут начаться вибрации лопасти/лопасти. Вибрации вредны для двигателя, удары могут сломать металлическую деталь, если возникнет резонанс.

Турбинный двигатель работает, достигая точного равновесия вокруг потока воздуха в компрессоре, камерах сгорания и турбине:

  • Турбина должна получать заданное количество энергии для приведения компрессора в движение с нужной скоростью.

  • Камеры сгорания должны получать точное количество топлива и воздуха для подачи энергии на турбину.

  • Компрессор должен подавать необходимое количество воздуха в камеры сгорания.

(Не будем обращать внимания на тот факт, что газотурбинные двигатели чаще всего имеют две или три катушки, т.е. узел компрессор-турбина с механической связью, каждая из которых вращается со своей скоростью, и должны найти это общее равновесие).

Как только по какой-либо причине изменяется скорость или давление воздуха, необходимо найти новое равновесие, иначе начнут происходить плохие вещи. В остановленном компрессоре иногда невозможно достичь нового равновесия. Это приводит к драматическим последствиям.

Последующие эффекты

После вращающегося срыва запускается каскад событий:

  1. Снижение давления на входе в камеру сгорания

    Компрессор теперь менее эффективен, давление ниже по потоку компрессора снижается, а также становится нестабильным. Величина изменения давления так или иначе ограничивается эффектом напорной камеры диффузора компрессора осевого компрессора (статором диффузора после рабочего колеса для центробежного компрессора).

    Расположение диффузора, источник
    В зависимости от того, удастся ли найти новый баланс или нет, горение может продолжаться, пока происходит вращающийся срыв. В этом случае он будет иметь пониженную мощность из-за менее эффективного компрессора, и потребуется меньший расход топлива.
    Возможно, потребуется выключить двигатель и перезапустить его, чтобы выйти из останова компрессора.

  2. Перегрев

    Теперь для горения доступно меньше воздуха, если не уменьшить расход топлива, смесь становится слишком богатой, температура горения повышается, происходит перегрев в камерах сгорания и после турбины. Поскольку материалы, используемые для камер сгорания и турбины, работают при максимально допустимой температуре, любое нежелательное повышение температуры может повредить их.

    Это может произойти, если блок управления подачей топлива (FCU) неправильно ограничивает расход топлива и пытается сохранить прежнюю тягу/расход топлива.

  3. Всплеск

    Диффузор компрессора (или камера в центробежном компрессоре) находится перед камерами сгорания. Последний представляет собой область очень высокого давления при высокой температуре. Если давление в диффузоре слишком низкое по сравнению с давлением на входе в турбину, горячий газ может начать поступать обратно в диффузор и компрессор. Это всплеск.

    Помпаж создает громкий хлопок, и волна давления может повредить вентилятор и воздухозаборник двигателя.

    Помпаж может быть связан с выходом пламени из двигателя через выхлопную трубу или впускное отверстие двигателя. Пламя возникает из-за выброса несгоревшего топлива, скопившегося в камерах сгорания.

    Компрессорные элементы не предназначены для поддержания горячего газа из камер сгорания, они могут быть повреждены при повторном выбросе.

    Опять же, двигатель может восстановиться после помпажа, если нет повреждений. Цикл может повторяться, но в какой-то момент повреждения неизбежны.

    Подробнее о остановке компрессора: что такое останов компрессора?

  4. Потеря контроля

    Помпаж также создает асимметричную дополнительную тягу, приводящую к силе рыскания, для двигателя, расположенного не по центральной линии.

    Если помпаж важен и самолет находится в критической фазе (например, разворачивается для взлета), эффект рыскания может привести к потере управления.

Фактические случаи срыва потока

  • В этой аварии, вызванной обледенением, предполагается, что повторные выбросы являются результатом неправильного управления потоком топлива. Оба двигателя были уничтожены.

  • Эта авария была вызвана остановкой компрессора под большим углом наклона.

  • В этом происшествии при взлете эффект рыскания помпажа был интерпретирован как столкновение с другим самолетом.

К счастью, с большинством остановок компрессора можно справиться безопасно, как, например, с этой на скорости вращения взлета (обратите внимание на пламя на 0:34).

Очевидно, что заглохание компрессора является серьезной проблемой, поэтому конструкторы двигателей тратят много усилий, чтобы предотвратить это и поддерживать рабочую точку двигателя в безопасном (и эффективном) состоянии. Например, использование лопастей с переменным углом атаки и траекториями выхода воздуха и т. д.

Патент США на воздухозаборник газотурбинного двигателя Патент (Патент № 4,389,227, выдан 21 июня 1983 г.)

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к конструкции воздухозаборника газотурбинного двигателя.

Газотурбинные двигатели, приспособленные для использования в силовых установках вертолетов, обычно снабжены воздухозаборниками, приспособленными для отделения твердых частиц от воздуха, который в конечном итоге попадает в двигатель. Одна обычная форма воздухозаборника, приспособленная для достижения этой цели, содержит воздуховод, определяющий воздухозаборник двигателя, и центральный корпус, расположенный перед воздуховодом. Центральный корпус имеет обращенную вверх по потоку выпуклую куполообразную поверхность, которая имеет больший диаметр, чем воздухозаборник двигателя. Таким образом, воздух, который в конечном итоге попадает в воздухозаборник двигателя, должен сначала следовать по извилистому пути вокруг центрального корпуса. Импульс любого дисперсного материала, переносимого воздухом, приводит к тому, что вместо того, чтобы следовать по тому же извилистому пути, что и воздух, он имеет тенденцию выбрасываться из воздухозаборника двигателя.

Если воздух, всасываемый двигателем, дополнительно содержит капли воды, некоторые из них будут выбрасываться из воздухозаборника двигателя так же, как и конкретный материал. Однако остаток воздействует на центральный корпус и распадается на большое количество более мелких капель, которые в результате сил поверхностного натяжения имеют тенденцию прилипать к центральному корпусу и в конечном итоге попадать в воздухозаборник двигателя. Это крайне нежелательное явление, если капли представляют собой морскую воду, поскольку их присутствие в двигателе неизменно приводит к увеличению скорости коррозии компонентов двигателя.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Таким образом, целью настоящего изобретения является создание конструкции воздухозаборника газотурбинного двигателя с улучшенной эффективностью удаления капель воды из всасываемого двигателем воздуха.

В соответствии с настоящим изобретением конструкция воздухозаборника газотурбинного двигателя содержит центральный корпус и канал, образующий воздухозаборник двигателя, оба имеют круглую форму поперечного сечения, при этом по меньшей мере часть упомянутого центрального корпуса расположена выше по потоку и коаксиальный с указанным каналом, при этом указанная по меньшей мере часть указанного центрального тела имеет больший диаметр, чем указанный канал, и снабжена средствами, приспособленными в процессе работы для объединения любой жидкости, сталкивающейся с поверхностью указанного центрального тела и впоследствии протекающей по поверхности указанного центрального тела, в капли и для запуска указанного, таким образом, сформированные капли из указанного центрального корпуса в воздушный поток, проходящий при работе над указанным центральным корпусом, причем указанные средства объединения и выпуска жидкости приспособлены для объединения указанной жидкости в капли такой массы, что каждая капля при запуске следует по траектории, избегая указанного воздуха двигателя вход.

В данном описании термины «выше по потоку» и «ниже по потоку» используются по отношению к воздушному потоку, проходящему во время работы через воздухозаборник газотурбинного двигателя в соответствии с настоящим изобретением.

Упомянутое средство, предназначенное для слияния указанной жидкости в капли и запуска указанных слипшихся капель жидкости, предпочтительно содержит элемент с отверстиями по окружности, проходящий радиально наружу части наибольшего диаметра указанного центрального корпуса, и элемент со ступенчатой ​​окружностью, расположенный непосредственно ниже по потоку от указанного элемента с отверстиями, указанный элемент с отверстиями приспособленный в работе для объединения указанной жидкости в капли требуемой массы, и указанный ступенчатый элемент, приспособленный в работе для выбрасывания указанных таким образом образованных капель из указанного центрального тела.

Отверстия в указанной детали с отверстиями предпочтительно содержат множество прорезей, каждая из которых проходит нормально к оси указанного центрального корпуса.

Указанный элемент с отверстиями предпочтительно содержит множество вертикально расположенных элементов, расположенных на равном расстоянии друг от друга, при этом указанные прорези образованы соседними элементами.

Упомянутые вертикальные элементы могут иметь такую ​​форму, что обращенные вверх по потоку участки соседних элементов образуют сходящиеся пути к каждой из указанных прорезей.

Упомянутый канал, образующий указанный воздухозаборник двигателя, предпочтительно окружен кожухом, так что вместе они образуют кольцевой перепускной канал двигателя.

Указанный перепускной канал двигателя предпочтительно расположен таким образом, чтобы слипшиеся капли жидкости, выбрасываемые при работе из указанного центрального корпуса, попадали в указанный перепускной канал двигателя.

Указанный кожух предпочтительно дополнительно окружает указанную по меньшей мере часть указанного центрального корпуса большего диаметра, так что между ними образуется кольцевой проход для воздушного потока.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Теперь изобретение будет описано в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых

РИС. 1 представляет собой вид сбоку с частичным разрезом конструкции воздухозаборника газотурбинного двигателя в соответствии с настоящим изобретением.

РИС. 2 представляет собой увеличенный вид части центрального корпуса конструкции воздухозаборника газотурбинного двигателя, показанной на фиг. 1.

РИС. 3 представляет собой вид по линии А-А на фиг. 2.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Со ссылкой на фиг. 1 конструкция воздухозаборника газотурбинного двигателя, обозначенная позицией 10, состоит из внешнего кожуха 11, окружающего центральный корпус 12, и канала 13, ограничивающего воздухозаборник 14 двигателя. Капот 11, центральный корпус 12 и канал 13 имеют круглую форму. -форма сечения.

Центральный элемент 12 расположен коаксиально внутри канала 13, и его диаметр постепенно увеличивается по мере выхода из канала 13 в направлении справа налево (если смотреть на фиг. 1), пока не достигнет максимального значения в точке 15, где его диаметр больше диаметра воздуховода 13. Затем его диаметр постепенно уменьшается, образуя в целом выпуклую куполообразную поверхность 16. Кромка 17 воздуховода 13 расширяется наружу, чтобы соответствовать расходящейся форме центрального тела 12.

обтекатель 11 снабжен участком 18 увеличенного диаметра для размещения части 15 максимального диаметра центрального корпуса 12. Таким образом, при работе воздух, поступающий в обтекатель 11 в направлении, указанном стрелкой В, должен сначала следовать по извилистому пути вокруг центрального корпуса. 12, прежде чем попасть в воздухозаборник 14 двигателя. Когда воздух проходит часть 15 наибольшего диаметра центрального корпуса 12, он течет радиально внутрь по мере того, как он втягивается в воздухозаборник 14 двигателя. Воздушный поток приводит к тому, что эти частицы отклоняются от пути воздушного потока и следуют по траектории, минуя воздухозаборник двигателя 14. Траектория дисперсного материала фактически переносит его в обходной канал 19. который расположен между капотом 11 и каналом 13. Байпасный канал 19 проходит по длине газотурбинного двигателя (не показан) перед выходом в выхлопной поток двигателя. Таким образом, любой твердый материал, переносимый воздухом, поступающим в кожух 11, отделяется от этого воздушного потока и впоследствии попадает в поток выхлопных газов двигателя.

Если воздух, поступающий в кожух 11, содержит капли воды, то некоторые из этих капель ударятся о поверхность 16 центрального корпуса 12 и разобьются на большое количество более мелких капель. В результате сил поверхностного натяжения эти более мелкие капли имеют тенденцию прилипать к поверхности 16 и течь к части 15 наибольшего диаметра центрального тела 12. Однако в точке 15 они сталкиваются с проходящей в радиальном направлении стенкой 20, состоящей из множества равноотстоящих друг от друга кроме стоящих членов 21.

Элементы стенки 21, которые лучше видны на ФИГ. 2, имеют, как правило, V-образное поперечное сечение, при этом вершина каждого V обращена вверх по течению. Они расположены вокруг центрального корпуса 12 таким образом, что их входные поверхности 22 определяют сходящиеся пути 23 для потока капель воды от поверхности 16 центрального корпуса. Элементы стенки 21 разнесены на такое расстояние, что прорези 24 определяются соседними элементами стенки 21, причем одна щель 24 находится в месте схождения каждой дорожки 23. Сходящиеся дорожки 23 и щели 24 взаимодействуют, объединяя мелкие капли воды в более крупные капли, которые впоследствии выходят из щелей 24 в направлении вниз по потоку, как можно видеть на фиг. 2.

Для того чтобы образованные таким образом более крупные капли способствовали попаданию в воздушный поток, проходящий над центральным корпусом 12, в центральном корпусе 12 предусмотрена окружная ступенька 25 сразу после стенки 20 (фиг. 3). Ступенька 25 служит для запуска более крупных капель из центрального корпуса 12 в воздушный поток. Прорези 24 имеют такие размеры, что более крупные капли имеют такую ​​массу, что при вылете из центрального корпуса 12 они следуют траектории, аналогичной траектории дисперсного материала, который переносит их в перепускной канал 19.

Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано со ссылкой на структуру с прорезями, следует понимать, что для слияния капель воды можно использовать другие конструкции с отверстиями. Кроме того, для выпуска более крупных слипшихся капель из центрального корпуса 12 могут использоваться другие средства, отличные от ступени.

Большинство современных пассажирских и военных самолетов оснащены газотурбинные двигатели, которые также называют реактивные двигатели. Существует несколько различных типов газотурбинных двигателей, но все газотурбинные двигатели имеют некоторые детали в общем. Все газотурбинные двигатели имеют впуск подвод свободный поток воздуха в двигатель. Вход находится перед компрессором и, при этом впуск не работает на поток, производительность на входе оказывает сильное влияние на сеть двигателя толкать. Как показано на рисунках выше, впускные отверстия бывают разных типов. форм и размеров со спецификой, обычно диктуемой скоростью самолет.

ДОЗВУКОВЫЕ ВПУСКИ

Для самолетов, которые не могут двигаться быстрее скорость звука, как у больших авиалайнеров, простой, прямой, короткий воздухозаборник работает довольно хорошо. На типичном дозвуковой вход, поверхность входа снаружи внутрь представляет собой непрерывную гладкую кривую с некоторым толщина изнутри наружу. Самый верхний по течению часть входа называется подсветка или впуск губа. Дозвуковой самолет имеет воздухозаборник с относительно толстым губа.

СВЕРХЗВУКОВЫЕ ВПУСКИ

Вход для сверхзвуковой самолет, с другой стороны, имеет относительно острая губа. Входная кромка заострена, чтобы свести к минимуму потери производительности от ударные волны происходящие на сверхзвуке полет. Для сверхзвукового самолета воздухозаборник должен замедлять поток. до дозвуковых скоростей, прежде чем воздух достигнет компрессора. Немного сверхзвуковые воздухозаборники, такие как вверху справа, используют центральный конус, чтобы ударить поток до дозвуковых скоростей. Другие входы, такие как тот, что показан внизу слева, используйте плоские шарнирные пластины для создания удары сжатия, в результате чего геометрия впускного отверстия имеет прямоугольное сечение. это изменяемая геометрия впускной используется на F-14 и Истребитель F-15. Используются более экзотические формы входного отверстия. на некоторых самолетах по разным причинам. Входы 3+ Маха Самолеты SR-71 специально разработаны для крейсерский полет на большой скорости. Воздухозаборники SR-71 фактически создают тягу во время полета.

ГИПЕРЗВУКОВЫЕ ВПУСКИ

Входы для гиперзвуковой самолет представляет собой сложную задачу проектирования. За с прямоточным воздушно-реактивным двигателем самолет, вход должен принести высокоскоростной внешний поток вплоть до дозвуковых условий в горелка. Присутствуют высокие температуры застоя в этом скоростном режиме и изменяемая геометрия не могут быть вариантом для впускной конструктор из-за возможных утечек через шарниры. За ГПВРД самолета, тепловая среда еще хуже, потому что полет Число Маха выше, чем у самолета с прямоточным воздушно-реактивным двигателем. Воздухозаборники ГПВРД тесно интегрированы с фюзеляжем. самолет. На Х-43А воздухозаборник включает всю нижнюю поверхности самолета перед кромкой капота. Толстый, горячий пограничные слои обычно присутствуют на поверхностях сжатия гиперзвуковых воздухозаборников. Поток, выходящий из входного отверстия ГПВРД, должен оставаться сверхзвуковым.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВХОДА

Воздухозаборник должен эффективно работать во всем полетном диапазоне самолета. На очень малых скоростях самолета или просто сидя на взлетно-посадочной полосы, свободный поток воздуха втягивается в двигатель компрессор. В Англии входные отверстия называются , , что означает более точное описание их функции на малых скоростях самолета. На больших скоростях хороший воздухозаборник позволит самолету маневрировать на высокая углы атаки и боковое скольжение без нарушения потока к компрессор. Потому что воздухозаборник так важен для всего самолета. операция, она обычно проектируется и проверено компанией по производству летательных аппаратов, не производитель двигателя. Но поскольку операция на входе так важно для работы двигателя, все производители двигателей также используют впускные аэродинамики. Величина нарушения потока характеризуется числовым индекс искажения на входе. Различные производители самолетов используют разные индексы, но все индексы основаны на соотношениях локальное отклонение давления от среднего давления на торце компрессора.

Отношение среднего полного давления на торце компрессора к Полное давление набегающего потока называется полное восстановление давления. Восстановление давления — еще одна характеристика впуска индекс; чем выше значение, тем лучше вход. Для гиперзвуковых воздухозаборников значение восстановления давления очень низкое и почти постоянное из-за ударные потери, поэтому гиперзвуковые воздухозаборники обычно характеризуется эффективностью их кинетической энергии.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.