Регулирование динамических компрессоров

Регулировка на выпуске

Загрузка-разгрузка-остановка
Все ранее упомянутые способы регулировки можно объединить для управления компрессорной установкой. Обычно используются два режима:

Модуляция: избыточный поток выпускается в атмосферу (или через впускное отверстие), но потребление энергии не изменяется.
Автоматическая двойная регулировка: Отклонение подачи агрегата ограничивается регулированием впускного клапана и/или выпускными направляющими лопастями для потоков ниже предела регулирования. Система регулирования полностью закрывает впускной клапан одновременно с открытием выпуска компрессора в атмосферу (сравните с компрессором объемного действия).

Мощность разгрузки по-прежнему относительно высока, достигая 20% от мощности полной нагрузки, в зависимости от конструкции рабочего колеса и т.д.
Регулировка частоты вращения
Регулировка частоты вращения оказывает такой же эффект, как и использование направляющих лопастей. Поток может изменяться при постоянном давлении в диапазоне регулировки компрессора. При более высоких мощностях изменение частоты вращения менее выгодно из-за высокой стоимости установки необходимого привода.

СПОСОБ (ВАРИАНТЫ) И СИСТЕМА ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПОМПАЖА

1. Способ для двигателя с наддувом, содержащий: адаптацию линии помпажа карты характеристик компрессора во время работы автомобиля в функциональной зависимости от скорости автомобиля. 2. Способ по п. 1, в котором линию помпажа также адаптируют в функциональной зависимости от частоты вращения двигателя и степени повышения давления в компрессоре. 3. Способ по п. 1, в котором адаптация содержит адаптацию линии помпажа с более активной калибровкой при скорости автомобиля ниже порогового значения скорости автомобиля, и адаптацию линии помпажа с менее активной калибровкой при скорости автомобиля выше порогового значения значения скорости автомобиля. 4. Способ по п. 1, в котором адаптацию линии помпажа изучают в ходе одного или более ездовых циклов. 5. Способ по п. 1, в котором адаптация линии помпажа содержит адаптацию границ для каждой из областей сильного помпажа и слабого помпажа карты характеристик компрессора. 6. Способ по п. 2, в котором адаптация содержит последовательное использование первой справочной таблицы и второй справочной таблицы, причем два из таких параметров, как частота вращения двигателя, степень повышения давления и скорость автомобиля, являются входными данными для первой таблицы, а выходные данные первой таблицы являются входными данными с оставшимся параметром из таких параметров, как частота вращения двигателя, степень повышения давления и скорость автомобиля для второй таблицы, и причем выходные данные второй таблицы используют для адаптации линии помпажа. 7. Способ по п. 2, в котором адаптация содержит определение первой более активной калибровки линии помпажа в функциональной зависимости от степени повышения давления в компрессоре, определение второй менее активной калибровки линии помпажа в функциональной зависимости от степени повышения давления в компрессоре; и объединение первой и второй калибровок линии помпажа в качестве взвешенной функции от скорости автомобиля и/или частоты вращения двигателя. 8. Способ по п. 2, в котором адаптация содержит определение окончательной линии помпажа на основе суммы первых выходных данных первой справочной таблицы и вторых выходных данных второй справочной таблицы; и причем первая таблица получена в функциональной зависимости от частоты вращения двигателя и степени повышения давления в компрессоре, а вторая таблица получена в функциональной зависимости от скорости автомобиля и степени повышения давления в компрессоре. 9. Способ по п. 1, также содержащий регулировку открытия рециркуляционного клапана компрессора с бесступенчатой регулировкой (РККБР) во время работы автомобиля для поддержания работы компрессора с большим расходом компрессора по сравнению с расходом компрессора при адаптированной линии помпажа. 10. Способ по п. 9, в котором регулировка содержит оценку требуемого массового расхода дросселя на основе рабочих условий двигателя; оценку порогового значения расхода компрессора на основе адаптированной линии помпажа; и регулировку открытия РККБР на основе разности между требуемым массовым расходом дросселя и пороговым значением расхода. 11. Способ по п. 1, в котором адаптация линии помпажа в функциональной зависимости от скорости автомобиля содержит адаптацию линии помпажа с более активной калибровкой во время нажатия на педаль акселератора, происходящего при более низкой скорости автомобиля, ниже порогового значения скорости автомобиля, до более высокой скорости автомобиля, выше порогового значения скорости автомобиля, и адаптацию линии помпажа с менее активной калибровкой во время отпускания педали акселератора от более высокой скорости автомобиля до более низкой скорости автомобиля. 12. Способ для двигателя с наддувом, содержащий: в ответ на нажатие на педаль акселератора при более высокой скорости автомобиля, выше порогового значения скорости автомобиля, регулировку положения РККБР для работы компрессора с первым более высоким значением расхода компрессора по сравнению с первой линией помпажа; и в ответ на нажатие на педаль акселератора при более низкой скорости автомобиля, ниже порогового значения скорости автомобиля, регулировку положения РККБР для работы компрессора двигателя со вторым более высоким значением расхода компрессора по сравнению со второй линией помпажа; причем, при данной степени повышения давления в компрессоре первая рабочая точка компрессора на второй линии помпажа имеет более высокий расход компрессора относительно второй рабочей точки компрессора на первой линии помпажа. 13. Способ по п. 12, в котором первая линия помпажа откалибрована менее активно относительно скорости автомобиля, и причем вторая линия помпажа откалибрована более активно относительно скорости автомобиля. 14. Способ по п. 12, в котором в ответ на нажатие на педаль акселератора при более высокой скорости автомобиля величина открытия РККБР возрастает на первую, меньшую величину; и причем в ответ на нажатие на педаль акселератора при более низкой скорости автомобиля величина открытия РККБР возрастает на вторую, большую величину. 15. Способ по п. 13, также содержащий, в ответ на отпускание педали акселератора при более высокой скорости автомобиля, регулировку положения РККБР для работы компрессора с третьим, более высоким значением расхода компрессора по сравнению с первой линией помпажа, и, в ответ на отпускание педали акселератора при более низкой скорости автомобиля, регулировку положения РККБР для работы компрессора с четвертым, более высоким значением расхода компрессора по сравнению со второй линией помпажа. 16. Система автомобиля, содержащая: двигатель; компрессор для подачи наддувочного воздуха в двигатель; рециркуляционный клапан компрессора, расположенный в канале, соединяющем выпуск компрессора со впуском компрессора, причем клапан выполнен с возможностью бесступенчатой регулировки его положения между полностью открытым и полностью закрытым положениями; и контроллер с машиночитаемыми инструкциями, хранимыми в долговременной памяти, для: во время работы автомобиля, постоянной регулировки линии помпажа, используемой по умолчанию на карте характеристик компрессора, с калибровочным коэффициентом на основе одного или более таких параметров, как частота вращения двигателя и скорость автомобиля; и регулировки открытия рециркуляционного клапана компрессора на основе расхода воздуха на впуске для поддержания работы компрессора с более высоким расходом компрессора по сравнению с границей помпажа отрегулированной линии помпажа. 17. Система по п. 16, в которой линия помпажа, используемая по умолчанию на карте характеристик компрессора, представляет собой предложенную производителем автомобиля линию помпажа на карте характеристик компрессора, определенную на основе стендовых испытаний компонентов. 18. Система по п. 16, в которой регулировка линии помпажа содержит менее активную калибровку линии помпажа при более высокой скорости автомобиля, выше порогового значения скорости автомобиля, и более активную калибровку линии помпажа при более низкой скорости автомобиля, ниже порогового значения. 19. Система по п. 18, в которой контроллер содержит дополнительные инструкции для калибровки линии помпажа менее активно при частоте вращения двигателя выше первого порогового значения частоты вращения двигателя, калибровки линии помпажа менее активно при частоте вращения двигателя меньше второго порогового значения частоты вращения двигателя и калибровки линии помпажа более активно при частоте вращения двигателя, меньшей, чем первое пороговое значение и большей, чем второе пороговое значение. 20. Система по п. 16, в которой степень активности калибровочного коэффициента возрастает с уменьшением скорости автомобиля ниже порогового значения скорости автомобиля, и причем степень активности уменьшается с увеличением скорости автомобиля выше порогового значения скорости автомобиля.

Что такое помпаж двигателя автомобиля

Турбокомпрессор (ТКР) является наиболее нагруженным элементом двигателя (ДВС). В рядовых условиях эксплуатации его рабочие частоты лежат в пределах 10000–300000 мин-1, температура корпусных деталей достигает 800 °С, температура масла 80–180 °С. Работа турбокомпрессора в статическом (установившемся) режиме не вызывает существенных проблем. Однако переходные режимы, режимы пуска и остановки ДВС, внезапные перепады нагрузки, вызванные стохастичностью крутящего момента на коленчатом валу ДВС, создают временные градиенты (перепады) давлений, расходов и температур масла, а также вызывают существенные динамические перегрузки элементов ТКР. Проблему стохастичности решают путем увеличения коэффициента запаса мощности и крутящего момента [1], снижения инерционности за счет автоматических трансмиссий [2], рациональной нагрузки при использовании с/х орудий [3]. Но, как показывает анализ стохастичности нагрузочных режимов при выполнении с/х операций на различных тракторах, неравномерность нагрузки можно свести к минимуму, но совсем избавиться от нее невозможно [4–6]. Поэтому последствия стохастичности различные ученые и научные организации пытаются решить самыми разными путями: конструктивным совершенствованием ТКР и подшипниковых узлов, разработкой технологий изготовления их деталей и использованием новых конструкционных материалов, модернизацией системы смазки подшипников ТКР, использованием электрических насосов и турботаймеров, различных электронных и микропроцессорных систем слежения и обеспечения рабочих режимов функционирования [3, 6, 7]. В этом направлении работает большая часть научных организаций, технических вузов, конструкторских бюро предприятий [2, 4, 8].

В нашей работе вредное воздействие стохастической нагрузки устранено за счет использования гидроаккумулятора и тормозного устройства. Режимы работы гидроаккумулятора достаточно изучены [1, 7]. Однако использование тормозного устройства в виде воздушного дросселя вызывает ряд вопросов, в частности о возникновении явления помпажа. Таким образом, целью статьи является исследование характеристик воздушного дросселя с целью предотвращения помпажа.

Теоретические исследования. Прочность, т.е. надежность двигателей и их систем, определяется прочностью их составных элементов (деталей, сборочных единиц) конструкции. Различают статическую и динамическую прочность упругих конструкций. При статической прочности нагрузка, прилагаемая к детали, остается во времени постоянной и, следовательно, упругое деформированное состояние конструкции также остается неизменным во времени. При динамической – нагрузка является функцией времени и изменяется по некоторому сложному закону. В соответствии с этим по такому же закону деформируется упругая система. Таким образом, динамическая прочность конструкции связана с колебательным процессом, под которым понимается изменение некоторого параметра во времени.

Из теории колебаний упругих систем известно, что каждой из собственных частот системы соответствует своя определенная форма колебаний (своя определенная частота колебаний) [2, 8, 9]. В теории колебательных процессов известно использование резонансной кривой (рис. 1).

Рис. 1. Резонансная кривая: зависимость амплитуды вибронапряжений σ, В от частоты f, Гц

После получения резонансной кривой ее обрабатывают по формуле

(1)

где δ – декремент колебаний; Δf – ширина резонансной кривой при уровне вибронапряжений 0,707 от резонансного; f_p – резонансная частота.

Таким образом, предлагаемый метод является одним из способов замера величины демпфирования в любой колебательной системе.

В спектре возбуждающей силы q(x, t) содержатся различные гармоники возбуждения. В общем виде спектр возбуждения может быть представлен разложением Фурье:

(2)

где Q0(x) – статическая составляющая распределенной по длине заслонки нагрузки; Q1(x), Q2(x), Qk(x) – амплитудные значения переменных нагрузок, соответствующих 1, 2, k гармоникам возбуждения; ω – частота возбуждающей силы; a1, a2, ak – фазовые сдвиги силы.

Для резонанса характерно совпадение частоты возбуждения с одной из собственных частот заслонки ω_0i, т.е. ω_0i = kω_0i. При этом одно из слагаемых выражения (2) будет значительно больше остальных, поэтому можно рассматривать колебания заслонки на резонансе этой формы.

Допустим, что гармоническая возбуждающая нагрузка q(x, t) вызывает гармоническое перемещение:

(3)

Здесь учтен сдвиг силы относительно перемещения на угол .

Возмущающая сила интенсивности q(x, t), распределенная на участке длиной dx, будет совершать элементарную работу на перемещении dS

, (4)

. (5)

Подставив в уравнение (4) значения q(x, t) из (2 ) и dS из (5), получим

(6)

Работа возбуждающей силы по всей длине заслонки за цикл колебаний определится выражением

(7)

Можно обнаружить большое число источников возмущения газовоздушного потока. Частота возбуждающей силы fB, вызывающая колебания заслонки, определяется секундной частотой вращения ротора nc и числом импульсов k, получаемых заслонкой за один оборот ротора от конструктивного устройства, расположенного в проточной части турбомашины, т.е.

, (8)

где k – целое число (k = 1, 2, 3, . ).

Целое число k называется номером гармоники возбуждающей силы. Номер гармоники соответствует числу конструктивных элементов, находящихся в тракте двигателя и вносящих возмущения в поток. Так, k = 1 означает, что возмущение в поток вносится одним конструктивным элементом, например датчиком обледенения. При k = 4 в тракте имеется, например, четыре стойки или винт с четырьмя лопастями. Если число лопаток направляющего аппарата равно z, то возмущенный поток будет иметь гармонику k = z, и заслонка станет подвергаться действию возбуждающей силы с частотой fB = z•nC. К опасным резонансам относятся колебания по основному тону, а также резонансы в области рабочих режимов работы двигателя. Что касается других резонансов, то степень их опасности можно определить только на работающем двигателе тензометрированием заслонки.

Методика экспериментальных исследований

Для последующей реализации экспериментальных исследований был разработан исследовательский стенд с турбокомпрессором ТКР-11Н2 (рис. 2, а).

В нагнетательную магистраль была установлена воздушная заслонка со следящим приводом с целью торможения воздушного потока (рис. 2, б).

Рис. 2. а) внешний вид стенда с установленным на нем гидроаккумулятором и тормозным устройством; б) схема тормозной заслонки со встроенным противоаварийным клапаном

Рис. 3. Блок-схема экспериментальной установки: 1 – основание, 2 – заслонка, 3 – вибратор, 4, 6, 8, 11 – уровни сигналов сил возбуждения и вибронапряжений (до входа в усилители и на выходе из них), 5 – усилитель, 7 – генератор сигналов, 9 – регистратор сигналов с объекта исследований, 10 – фигура Лиссажу, 12 – датчик вибронапряжений, 13 – фиксатор частоты

Для экспериментального определения спектра собственных частот и форм колебаний заслонки была разработана блок-схема экспериментальной установки (рис. 3).

Возбуждение колебаний заслонки производится электромагнитным вибратором, питаемым от усилителя током переменной частоты. Плавно изменяя частоту генератора, получаем совпадение собственных частот с частотами возбуждения (рис. 1), т.е. упругую систему (заслонку) настраиваем на резонансы (fрез1, fрез2, fрез3), которые характеризуются резким возрастанием виброамплитуды, фиксируемой на экране осциллографа (или другим прибором).

Результаты экспериментальных исследований

В проведении экспериментальных исследований на стенде получены уравнения свободного выбега ротора ТКР-11Н2 для трех значений частот вращения ротора ТКР:

а) nН = 40000 мин-1

,

б) nН = 20000 мин-1

, (5)

в) nН = 10000 мин-1

.

Было установлено, что при использовании тормозного устройства в виде заслонки продолжительность выбега ротора ТКР сокращается на 30–40 %. Тормозное устройство обеспечивает увеличение замедления при свободном выбеге ротора ТКР.

Результаты моделирования в программе FORTRAN нагрузочных режимов на заслонку с противопомпажным клапаном и последующая их проверка на экспериментальной установке

С исследовательского стенда была снята заслонка и в программе FORTRAN построена ее модель, включающая 26822 элемента, 42266 узлов, 3D элементы, тип – Tet10 (рис. 4).

Последовательно проверялись резонансные частоты и амплитуды колебаний заслонки при пяти первых резонансных частотах. Первая резонансная частота наблюдалась при f = 1310,7 Гц. Амплитуда колебаний заслонки составила Amax = 1,23 мм. Результаты моделирования первой резонансной частоты при f = 1310,7 Гц и Amax = 1,23 мм представлены на рис. 5.

На экспериментальной установке первая резонансная частота составила f = 1390 Гц. Вторая резонансная частота наблюдалась при f = 2236,9 Гц. Амплитуда колебаний заслонки составила Amax = 1,04 мм. Третья резонансная частота наблюдалась при f = 3794 Гц. Амплитуда колебаний заслонки составила Amax = 1,14 мм. Четвертая резонансная частота наблюдалась при f = 5074,7 Гц. Амплитуда колебаний заслонки составила Amax = 1,12 мм. Пятая резонансная частота наблюдалась при f = 5822,8 Гц. Амплитуда колебаний заслонки составила Amax = 6,13 мм. На экспериментальной установке вторая резонансная частота составила f = 2310 Гц, третья f = 3830 Гц, четвертая f = 5120 Гц, пятая f=5880 Гц.

Рис. 4. Модель заслонки с противопомпажным клапаном

Рис. 5. Результаты моделирования первой резонансной частоты при f = 1310,7 Гц и Amax = 1,23 мм

Рис. 6. Характеристики турбокомпрессора ТКР-11Н2 на стенде в режиме торможения

Кроме того, экспериментально с учетом полученных резонансных частот были получены характеристики турбокомпрессора ТКР-11Н2 на стенде в режиме торможения. Поясним процесс торможения на грани помпажа по рис. 6.

При полностью открытой заслонке режим работы компрессора определяется точкой А, ей соответствуют значения производительности QA и степень повышения давления π_А. При дальнейшем прикрытии заслонки рабочая точка сдвигается левее и попадает в точку В границы линии регулирования. Дальнейшее прикрытие заслонки не рекомендуется, т.к. в точке С компрессор попадает в режим помпажа. Что фиксировалось тензодатчиком по резкому возрастанию вибраций и резонансной частоте.

Моделированием резонансных частот было установлено, что заслонка тормозного устройства компрессора турбокомпрессора в режиме торможения ротора не должна быть полностью закрыта, а приоткрыта не менее чем на 22–30 градусов. Последующая экспериментальная работа будет сконцентрирована на автоматическом формировании заданного угла положения заслонки в режиме выбега при исключении помпажных явлений. Доказано, что применение тормозного устройства ротора ТКР, встроенного в систему впуска ДВС, сокращает продолжительность выбега ротора на 30–35 % и позволяет уменьшить габариты, время работы гидроаккумулятора.

Пилот назвал инцидент с самолетом Путина «самым неприятным» для летчиков

Помпаж двигателя мог привести к серьезному возгоранию

В Благовещенске при взлете флагмана президентского СЛО «Россия» произошел сбой в работе двигателя и кратковременное возгорание. ИЛ-96 взлетел и благополучно добрался до Москвы, но двигатель вышел из строя. Помпаж — это штатная, но опасная ситуация, прокомментировал инцидент с самолетом Владимира Путина опытный пилот гражданской авиации.

«На любом самолете, включая ИЛ-96, в случае помпажа снижается режим работы двигателя, двигатель «задыхается». Уменьшаешь ему количество входящего воздуха, а потом смотришь, в чем причина. Может, птица попала, может, обледенение, может, разрушение турбокомпрессора. Главное, что сжатый воздух, проходя через турбокомпрессор, на лопатках крайней ступени оказывается не проходным. И двигатель начинает «задыхаться». Кашляет, как человек», – разъяснил Daily Storm пилот Олег Башмаков.

Именно попадание птицы, по информации источника Daily Storm, привело к поломке двигателя президентского ИЛ-96. «На взлете – это самое неприятное. Если происходит помпаж, то на максимальном напряжении двигателя, когда он выжимает все, что может. Если человек на мотоцикле откроет рот, а навстречу скоростной поток воздуха, он, естественно, задохнется», — сказал пилот.

В случае помпажа пилоты могут принять меры, которые позволят продолжить полет: скорректировать работу двигателя, дать ему «прожевать» попавшую в него птицу, если она стала причиной сбоя. Если этого не сделать, может произойти непредвиденное. «Дело в том, что помпаж – это неустойчивая работа компрессора. А это может вызвать нестойчивую работу камеры сгорания, туда постоянно попадает топливо. Может неправильно сгорать, температура резко повысится, пожар, в принципе, возможен», – отметил Башмаков.

Вечером 3 августа президентский флагман с бортовым номером RА-96021 вылетал в Москву. Пилоты доложили о произошедшем, но продолжили взлет. Во Внуково борт №1 добрался без происшествий, после осмотра обнаружились следы от попадания птицы в воздухозаборник силовой установки, сообщил источник Daily Storm. Поврежденные детали двигателя подлежат замене.

Самолет, по имеющейся информации, отправился в Москву без главы государства. Президент России к тому времени закончил визит в Благовещенск и отдыхал в Южной Сибири, занимался подводной охотой.

Фото: © GLOBAL LOOK press/Michael Klimentyev

Издание «Daily Storm» зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор) 20.07.2017 за номером ЭЛ №ФС77-70379 Учредитель: ООО «ОрденФеликса», Главный редактор: Сивкова А.С.

Сайт использует IP адреса, cookie и данные геолокации пользователей сайта, условия использования содержатся в Политике по защите персональных данных.

Сообщения и материалы информационного издания Daily Storm (зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор) 20.07.2017 за номером ЭЛ №ФС77-70379) сопровождаются гиперссылкой на материал с пометкой Daily Storm.

*упомянутые в текстах организации, признанные на территории Российской Федерации террористическими и/или в отношении которых судом принято вступившее в законную силу решение о запрете деятельности. В том числе:

Признаны террористическими организациями : «Исламское государство» (другие названия: «Исламское Государство Ирака и Сирии», «Исламское Государство Ирака и Леванта», «Исламское Государство Ирака и Шама»), «Высший военный Маджлисуль Шура Объединенных сил моджахедов Кавказа», «Конгресс народов Ичкерии и Дагестана», «База» («Аль-Каида»),«Братья-мусульмане» («Аль-Ихван аль-Муслимун»), «Движение Талибан», «Имарат Кавказ» («Кавказский Эмират»), Джебхат ан-Нусра (Фронт победы)(другие названия: «Джабха аль-Нусра ли-Ахль аш-Шам» (Фронт поддержки Великой Сирии), Всероссийское общественное движение «Народное ополчение имени К. Минина и Д. Пожарского», Международное религиозное объединение «АУМ Синрике» (AumShinrikyo, AUM, Aleph)

Деятельность запрещена по решению суда : Межрегиональная общественная организация «Национал-большевистская партия», Межрегиональная общественная организация «Движение против нелегальной иммиграции», Украинская организация «Правый сектор», Украинская организация «Украинская национальная ассамблея – Украинская народная самооборона» (УНА — УНСО), Украинская организация «Украинская повстанческая армия» (УПА), Украинская организация «Тризуб им. Степана Бандеры», Украинская организация «Братство», Межрегиональное общественное объединение – организация «Народная Социальная Инициатива» (другие названия: «Народная Социалистическая Инициатива», «Национальная Социальная Инициатива», «Национальная Социалистическая Инициатива»), Межрегиональное общественное объединение «Этнополитическое объединение «Русские», Общероссийская политическая партия «ВОЛЯ», Общественное объединение «Меджлис крымскотатарского народа», Религиозная организация «Управленческий центр Свидетелей Иеговы в России» и входящие в ее структуру местные религиозные организации:,Межрегиональное общественное движение «Артподготовка»