Турбокомпрессор: история создания, принцип работы, способы использования

Турбокомпрессор: история создания, принцип работы, способы использования

Услышав слово турбокомпрессор, обращаешь внимание на первую часть слова – турбо. Сразу приходят ассоциации: быстро, мощно и т.д. И действительно турбокомпрессор имеет непосредственное отношение к этим словам. Этот устройство только лишь засасывает воздух с одной стороны, затем сжимает его и, наконец, выдувает его с другой стороны, и это открывает очень большие возможности в области машиностроения. КПД двигателя внутреннего сгорания сильно зависит от того, сколько воздуха попадает в цилиндры. Чем больше воздуха, тем больше топлива может сгореть, а это повышает мощность двигателя.

Вообще говоря, ТУРБОКОМПРЕССОРОМ называется агрегат, состоящий из КОМПРЕССОРА (воздушный насос) и ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ.

Эти два механизма связаны между собой при помощи общей жесткой оси.
Энергия, необходимая для сжатия воздуха компрессором, поступает от турбины, которая, в свою очередь, вращается за счет использования энергии потока отработанных газов.

Чем большую энергию имеют отработанные газы, тем быстрее вращается турбина.
Как следствие, компрессор тоже вращается быстрее и закачивает больше воздуха.

Турбина состоит из ротора и корпуса.
Отработанные газы из выпускного коллектора попадают в турбокомпрессор. Газы проходят по внутреннему каналу турбины. Этот канал постепенно сужается, и газы, проходя через него, ускоряются и попадают в корпус, имеющий форму улитки. Оттуда они направляются к ротору турбины и приводят ее во вращение. Скорость вращения турбины зависит от формы и размера канала. Формы канала бывают самые разные, более того даже количество каналов в корпусе турбины не одинаково. Например, в корпусе турбины судового двигателя один канал, а на некоторых грузовиков два канала.

Компрессор также состоит из ротора и корпуса.
Размеры компрессора зависят от количества воздуха, который необходимого для двигателя, и от скорости вращения турбины. Обе части турбокомпрессора жестко закреплены на одной оси и, следовательно, ротор компрессора вращается с той же скоростью, что и ротор турбины. Лопатки ротора компрессора имеют такую форму, что воздух засасывается через центр ротора и отбрасывается на стенку корпуса компрессора. Благодаря этому воздух сжимается и через впускной коллектор попадает в двигатель.

Двигателестроители, начиная с Отто и Дизеля, всегда мечтали о максимально возможном наполнении цилиндров воздухом. Но двигатель должен был бы сам себя «надувать» сжатым воздухом, чтобы не было лишних затрат энергии. Чем больше в цилиндрах воздуха, тем больше энергии, что в итоге выливается в значительном приросте мощности и крутящего момента.
Естественно изобретатели ухватились за идею использовать энергию выхлопных газов для нагнетания воздуха. Хотя все это звучит просто, но прошло много лет до того как эту идею смогли реализовать – турбокомпрессоры появились спустя 100 лет после изобретения двигателя внутреннего сгорания.

Двигателестроители, начиная с Отто и Дизеля, всегда мечтали о максимально возможном наполнении цилиндров воздухом .

. Однако, турбокомпрессоры появились спустя 100 лет после изобретения двигателя внутреннего сгорания.

Первым кто описал и запатентовал принцип работы турбокомпрессора был Альфред Бюхли в 1905 году.

Инженеры никогда не сталкивались с нехваткой воздуха, ведь даже совсем небольшой компрессор может передать большое количество воздуха. Проблема была в другом, а именно в том, как контролировать давление наддува между переключениями передач.

Первоначально турбокомпрессоры устанавливались на самолеты и корабли. На этих транспортных средствах обороты двигателя изменяются плавно. Затем стали устанавливать турбокомпрессоры на дизельные двигатели. В 50 годы нашего столетия стали устанавливать турбины на гоночные автомобили, где скорость была примерно постоянна. В те же годы инженеры General Motors оснастили турбодвигателями и серийные модели, но тут же обнаружились «подводные камни». При разгоне с малых оборотов компрессор реагировал очень медленно. Это я вление назвали «Турболагом» или «Турбоямой». На больших оборотах турбонагнетатели давали слишком большое давление.

К концу 60-х годов инженер из Швейцарии Михаэль Мэй выдвинул идею, о том, что турбокомпрессоры нужно делать маленьких размеров, тогда они будут подавать меньшее количество воздуха с одной стороны, а с другой стороны маленький агрегат имел малый вес, и поэтому обладал меньшей инертностью и быстрее реагировал на изменение скорости.
В это же время фирма Porsche тоже заинтересовалась идеей турбокомпрессора. Они совместно с фирмой ККК в начале 70-х годов и положили начало эры турбокомпрессоров в автомобилестроении. В турбодвигателях при нажатии на педаль акселератора давление должно было резко возрастать, а при отпускании педели – резко падать. Поступили следующем образом: когда давление становилось большим выхлопные газы перепускались мимо турбины. Когда дроссельная заслонка закрывается, стравливаются выхлопные газы. При этом крыльчатка турбокомпрессора еще вращается, но не в полную силу. Когда же давление наддува снова будет необходимо, перепускной клапан закрывается, и турбина быстрее раскручивается.

Было еще много других проблем, например температура в турбокомпрессорах бензинового двигателя достигает 1000 градусов, но все эти проблемы были решены, и в наше время турбокомпрессоры честно служат на пользу человечества.

Турбокомпрессоры в современном мире играют большую роль в жизни машиностроения.
Это объясняется очень просто: для того чтобы увеличить мощность двигателя, не надо увеличивать его объем, а можно всего — навсего присоединить простенький механизм — ТУРБОКОМПРЕССОР. Эта идея всем нравится.
Естественно наука не стоит на месте, постоянно инженеры всего мира изобретают все новые и новые приспособления для увеличения эффективности турбокомпрессоров.

Для того чтобы увеличить мощность двигателя, не надо увеличивать его объем, а можно всего — навсего присоединить простенький механизм — ТУРБОКОМПРЕССОР.

Эта идея всем нравится!

Посредством турбокомпрессора возможны два вида автотюнинга.
Первый вид – тюнинг автомобиля, который изначально проектировался с турбокомпрессором.
Второй вид – установка турбины на автомобиль, который к этому не приспособлен.
Как вы понимаете второй вид на много сложнее. Начнем с простого.

Мощность автомобиля с турбокомпрессором не сложно повысить. Например можно увеличить давление наддува. Здесь главное, как говорится, не «переборщить», иначе двигатель может «стукануть». Опираться можно на следующие показатели: при увеличении наддува на 0,1 бар, мощность двигателя увеличивается на 10% — это оптимально. Если установить дополнительный интеркулер, то можно увеличить давление на 0,2 бар, но не более. При увеличении давления, температура в системе возрастает, и если интеркулер не справится, нагрузка на поршни возрастет, и двигатель может не выдержать нагрузки.

Второй вид тюнинга сложнее выполнить, как следствие он дороже. Если вы решите этим заняться, то вам лучше обратиться в специализированные компании, так как разработка этого вида тюнинга – сложный технологический процесс, требующий большого объема специальных знаний.
Первая трудность, возникающая сразу – выбор турбокомпрессора, кроме того, придется полностью перепроектировать многие детали и системы: сцепление, система охлаждения и смазки, система зажигания, система выпуска отработанных газов и др.
Часто возникает необходимость уменьшить геометрическую степень сжатия двигателя. Это можно сделать за счет использования поршней с уменьшенной высотой от оси поршневого пальца до днища. Можно, например, увеличить объем камеры сгорания в самой головке цилиндров. Есть и другие приемы, но все они требуют дополнительных финансовых вливаний.
При большом увеличении мощности двигателя приходится усиливать ходовую часть, изменять тормозную систему.
Давление нагнетаемое турбокомпрессором, например, для легковых серийных автомобилей не должно выходить за рамки 1,4…1,8 бар. В последнее время ведущие производители легковых автомобилей стремятся устанавливать двигатели с высокой степенью сжатия и невысоким давлением наддува. Для спортивных автомобилей давление турбокомпрессора — 1,8…3,4 бар.

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания (комбинированный ДВС) — двигатель внутреннего сгорания, представляющий собой комбинацию из поршневой (роторно-поршневой) и лопаточной машины (турбина, компрессор), в котором в осуществлении рабочего процесса участвуют обе машины.

Содержание

• 1 Схемы комбинированных ДВС
  • 1.1 Схемы с механической связью поршневых и лопаточных машин
  • 1.2 Схемы с газовой связью поршневых и лопаточных машин
• 2 История появления комбинированных ДВС

Схемы комбинированных ДВС [ править | править код ]

Схемы с механической связью поршневых и лопаточных машин [ править | править код ]

• Поршневой ДВС с лопаточным нагнетателем — простейший и наиболее старый тип комбинированных ДВС. Лопаточный компрессор-нагнетатель приводится в действие через механическую передачу от коленчатого вала поршневого ДВС. В лопаточной машине происходит часть процесса сжатия заряда. Широко применялся до 60-х годов в авиации (например, на самолете Ан-2), а также на судовых высокофорсированных дизелях М400. К достоинствам следует отнести хорошую согласованность производительности нагнетателя и потребности поршневой машины в свежем заряде как в установившемся режиме работы, так и в режиме разгона. Основной недостаток — значительный отбор полезной мощности от поршневой машины, из за чего эта схема в новых типах двигателей применяется сравнительно редко.
• Поршневой ДВС с дополнительной турбиной, отдающей мощность на коленчатый вал — в этой схеме энергия отработавших газов поршневого ДВС совершает работу в газовой турбине, которая, посредством механической передачи поступает на коленчатый вал поршневого двигателя. То есть часть процесса расширения происходит в лопаточной машине (газовой турбине). К достоинствам схемы следует отнести преобразование энергии отработавших газов в механическую, что позволяет повысить КПД агрегата. К недостаткам следует отнести сложность согласования моментно-скоростных характеристик поршневого ДВС и газовой турбины (для этих целей приходится применять гидротрансформатор). Наилучшие результаты достигаются при работе поршневого ДВС при высоких давлениях наддува (от приводного компрессора или турбокомпрессора). На практике такая схема (под торговой маркой Turbo Compound используется в двигателях большегрузных автомобилей Scania.
• Поршневой ДВС с лопаточным нагнетателем и дополнительной турбиной, отдающей мощность на коленчатый вал, — комбинация двух вышеуказанных схем.
• Газотурбинный ДВС c поршневым компрессором — в лопаточной машине (газовой турбине) осуществляются процессы сгорания и расширения, а поршневая машина, приводимая в движение от газовой турбины, используется для сжатия заряда. Информация о практической реализации подобной схемы отсутствует.

Схемы с газовой связью поршневых и лопаточных машин [ править | править код ]

• Поршневой ДВС с турбокомпрессором — отработавшие газы поршневого ДВС совершают работу в газовой турбине, которая приводит в действие лопаточный компрессор, обеспечивающий наддув поршневого ДВС. Данная схема, называемая турбонаддувом, в настоящее время получила очень широкое распространение, так как позволяет получать высокие литровые мощности поршневых ДВС, не расходуя на наддув полезную мощность, развиваемую поршневой машиной. Однако по приемистости ДВС с турбонаддувом уступают ДВС с приводным компрессором, что обусловлено инерцией ротора турбокомпрессора и инерцией газов во впускном и выпускном трактах. Для устранения указанного недостатка на автомобилях и тепловозах применяют ДВС, снабженные несколькими турбокомпрессорами, имеющими рабочие колеса с малым моментом инерции и расположенные в непосредственной близости от впускных и выпускных клапанов. На тракторах и судах, где специальных требований к приемистости не предъявляется, наоборот, применяются турбокомпрессоры с крупногабаритными рабочими колесами, которые лучше переносят длительную работу в режимах, близких к максимальной мощности.
• ДВС с турбиной для привода вспомогательных агрегатов — для привода вспомогательных агрегатов (электрогенераторов, систем кондиционирования воздуха) могут использоваться газовые турбины, использующие энергию отработавших газов ДВС (в том числе и оснащенных турбонаддувом). Такой способ нашел применение на речных и морских судах для привода электрических генераторов, так как привод генератора от коленчатого вала низкооборотистого судового двигателя затруднен. На речных судах типа «Заря» (выпущенных в 80-х годах) и «Восход» газовая турбина служила приводом компрессора системы кондиционирования воздуха.
• Поршневой ДВС с наддувом в роли генератора горячего газа с отбором мощности от газовой турбины — при высоком давлении наддува двигателя внутреннего сгорания большая часть энергии, выделяемой в ходе рабочего процесса, уходит с отработавшими газами. Удельная мощность такой газовой струи весьма высока, что позволяет использовать её в газовой турбине. Рассматриваемая схема получила распространение, хотя и ограниченное, в стационарных силовых установках, там, где требуется получение большой мощности при высокой частоте вращения выходного вала — свыше 6000 об/мин. В качестве поршневого ДВС-генератора газа преимущественно используются свободно-поршневые генераторы газа. С развитием стационарных газотурбинных ДВС применение рассмотренной схемы сокращается.
• Газотурбинный ДВС в роли компрессора воздуха, отдаваемого в поршневой двигатель — часть воздуха (как правило, большая), сжимаемого в газотурбинном ДВС, отводится в поршневую машину — пневматический двигатель или поршневой ДВС в режиме пуска сжатым воздухом. Схема нашла применение в системах пуска крупных судовых, стационарных, а также танковых двигателей. Рассматривался подобный вариант и для привода локомотивов (при этом двигатель-компрессор, установленный на паровозе вместо котла, должен был питать сжатым воздухом цилиндры паровой машины).

История появления комбинированных ДВС [ править | править код ]

Создание комбинированных ДВС связано с попытками устранить недостатки, присущие поршневым двигателям внутреннего сгорания, выявленные еще на ранних этапах их развития.

Одним из существенных недостатков поршневого двигателя внутреннего сгорания является то, что значительное количество энергии (тепловой и кинетической), получаемой при сжигании топливно-воздушной смеси в цилиндрах, уносится с отработавшими газами, не совершая работы в поршневой машине. Другим недостатком чисто поршневых двигателей внутреннего сгорания является невозможность получения больших значений мощности на единицу рабочего объема, что связано с ограниченным количеством воздуха (смеси), всасываемого в цилиндр в процессе впуска, а именно — давление воздуха (смеси) в цилиндре в конце такта всасывания всегда будет меньше атмосферного. Последний недостаток особенно остро проявляется в авиации, где по мере набора высоты из-за снижения атмосферного давления ухудшалось наполнение цилиндров, и, следовательно, падала мощность поршневых двигателей.

Для улучшения наполнения цилиндров авиационных ДВС, особенно на больших высотах, в 30-х годах 20-го века стали применять предварительное сжатие воздуха в лопаточном компрессоре (нагнетателе), приводимом в действие от коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания. В такой комбинированной машине часть теплового цикла ДВС, а именно часть цикла сжатие осуществлялось в лопаточном копмрессоре. В такте впуска воздух (горючая смесь) поступал в цилиндр двигателя под избыточным давлением, что увеличивало массу заряда. Это позволило, во-первых, повысить мощность двигателей без увеличения рабочего объема (и соответственно массы двигателя) и без повышения числа оборотов (повышение числа оборотов снижает КПД воздушного винта и увеличивает механические потери в двигателе). Также решилась проблема падения мощности на больших высотах.

Однако на привод лопаточного компрессора от коленчатого вала затрачивалась часть (притом весьма существенная — порядка 10 % — 20 %) мощности двигателя, а возможность отбора возросшей при наддуве мощности отработавших газов не использовалась.

С развитием газовых турбин в 50-х, 60-х годах появилась возможность осуществлять привод лопаточного компрессора нагнетателя не от коленчатого вала, а от газовой турбины, приводимой в действие энергией отработавших газов поршневой машины. Возникли двигатели с турбонаддувом, которые в настоящее время получили весьма широкое распространение.

Другие схемы комбинированных ДВС используются для решения специфических задач и широкого применения не нашли.

Основные схемы газотурбинного наддува

Основные схемы газотурбинного наддува

Существует большое разнообразие схемного оформления систем газотурбинного наддува. На рис. 1 приведена наиболее распространенная схема турбопоршневого двигателя с газовой связью.

При работе двигателя отработавшие газы поступают на лопатки газовой турбины, которая приводит во вращение компрессор, подающий сжатый до определенного уровня воздух в двигатель. Такая схема обеспечивает высокий КПД и обладает сравнительной простотой. Конструктивное оформление схемы характеризуется малыми габаритами, а также обеспечивает уменьшение механических потерь. Кроме того, для реализации такой схемы возможно использование уже готовых газотурбонагнетателей.

В то же время, недостатком схемы является худшая приемистость, по сравнению с двигателем без наддува, и худшие пусковые качества (из-за пониженной степени сжатия), меньшие возможности увеличения мощности наддувом, по сравнению с механическим наддувом, недостаточность энергии газов при малых нагрузках. Схема, показанная на рис. 2, отличается от предыдущей наличием приводного компрессора как второй ступени наддува. Т.е. турбина вращает компрессор, который сжимает воздух и подает его на лопатки приводного компрессора, а последний «дожимает» воздух и двигателя его в двигатель. Такая схема обеспечивает получение высокого КПД двигателя, особенно в сравнении с механическим наддувом. Однако недостатки, связанные с ухудшенной приемистостью и плохими пусковыми свойствами, сохраняются.

На рис. 3 представлена схема турбопоршневого двигателя с комбинированной связью (как и в предыдушем случае).

Однако в данной схеме компрессор с механическим приводом является первой ступенью наддува, а свободный турбокомпрессор обеспечивает вторую ступень повышения давления наддува. В этом случае достигается более высокая приемистость. Кроме того, в данной схеме, как и в предыдущей, обусловлена возможность промежуточного охлаждения воздуха, а это уменьшает мощность, необходимую на сжатие воздуха. Недостатком такого выполнения является более низкий КПД двигателя, чем по предыдущей схеме.

Для обеспечения хорошей приемистости целесообразно применение механической связи поршневого двигателя и лопаточных машин. На рис. 4 приведена схема такого турбопоршневого двигателя. В данном случае и компрессор, и турбина имеют механическую связь с валом двигателя.

Т.е. турбина в данном случае является силовой турбиной, передающей мощность на вал поршневого двигателя. При такой схеме наддува достигается более высокое давление наддува, не зависящее от мощности турбины. Схема обеспечивает полное использование энергии выпускных газов, вне зависимости от давления наддува. Кроме хорошей приемистости реализация такой схемы обеспечивает хорошие пусковые качества двигателя и эффективный газообмен при неустановившихся режимах работы. Недостатком такой схемы является пониженный КПД двигателя, особенно на частичных режимах. Кроме того, при механической связи турбины с валом двигателя нарушается рациональное соотношение окружной скорости рабочего колеса турбины со скоростью истечения газов, а следовательно, снижается КПД турбины.

Другой вариант комбинированного двигателя с механической связью поршневого двигателя и лопаточных машин представлен на рис. 5. Причем связь лопаточных машин с валом поршневой машины может быть выполнена прямой и жесткой или через гидравлическую муфту. Гидравлическая муфта бесступенчато меняет передаточное отношение между двигателем и компрессором, что улучшает характеристики двигателя и его приспособляемость. Достоинством схемы является высокое давление наддува, не зависящее от мощности турбины, полное использование энергии выпускных газов, независимо от давления наддува. Как и в предыдущей схеме, механическая связь обеспечивает хорошие приемистость и пусковые свойства.

В схеме, показанной на рис. 6, механическая связь поршневой машины и лопаточных машин выполнена либо в виде механической передачи параллельно на турбину и компрессор, либо через гидромуфты.

Такая схема обеспечивает все перечисленные ранее достоинства ДВС с механической связью, однако, ее недостатком является сложность и повышенные габариты. При работе гидромуфт осуществляется теплоотдача в масло. Гидромуфты (первая и вторая) используются для передачи полной мощности газовой турбины и полной мощности компрессора соответственно. Вариант выполнения комбинированного двигателя с механической связью показан на рис. 7.

Здесь применена лишь одна гидромуфта. В данной схеме сохраняются ранее перечисленные достоинства, включая и хороший газообмен при неустановившихся режимах. Как и в ранее приведенных аналогичных схемах, ухудшение экономичности двигателя связано как с наличием механического привода, так и с теплопотерями в масло.

ДВС может быть выполнен с механической связью и двумя турбинами, причем одна из них является силовой (рис. 8).

Несмотря на наличие силовой турбины, все же тяговая характеристика ДВС в этом случае остается хуже, чем у газотурбинного двигателя. Для повышения мощности силовой турбины делают более ранее открытие выпускных элементов, связанных с силовой газовой турбиной. В этом случае улучшается тяговая характеристика двигателя. Достоинством такой схемы является высокое давление наддува, упрощение компоновки, расположение на двигателе, регулировки.

Объясняется это возможностью изменения передаточного отношения в приводе. Как видно из рисунка, при повышении момента потребителя и следовательно, снижении частоты вращения вала отбора мощности, связанного с водилом 4, снижается скорость обегания сателлитами 2 солнечной шестерни 3 и соответственно повышается частота вращения компрессора, т.е. повышается давление наддува, повышается возможность увеличения вращающего момента двигателя. Благодаря дифференциальному приводу достигается коэффициент приспособляемости более двух. Т.е. почти гиперболическая зависимость вращающего момента двигателя от частоты вращения вала.

Другой вариант дифференциальной связи между элементами ДВС показан на рис. 10. В данном случае силовая турбина перенесена на вал отбора мощности.

Как и в предыдущем случае, с использованием такой схемы достигается почти гиперболическая зависимость момента, развиваемого двигателем, от частоты вращения вала (т.е. практически идеальная характеристика для двигателя транспортного назначения). Недостаткам всех таких схем является их сложность, громоздкость, механическая напряженность, а также проблемы с пуском. В случаях компоновки по схеме, показанной на рис. 11, поршневая машина выполняет функцию генератора газа (СПГГ), т.е. турбина является силовой или вообще используется как дизель-компрессор. Достоинством схемы являете благоприятное протекание кривой момента в функции от частоты, достижение коэффициента приспособляемости порядка 2,0 и более. Двигатель удобен в эксплуатации и ремонте, не требует тяжелых опор, легко регулируется отключением части СПГГ. В двигателе обеспечиваются высокие давления наддува, но и высокие максимальные давления цикла.

Моторесурс установки повышается. В изготовлении двигатель менее трудоемок. Обеспечивается возможность применения низкосортных альтернативных топлив. Достоинством является также отсутствие гидравлических или электромагнитных муфт. Недостатками такого выполнения является высокая термонапряженность деталей, сложность организации газообмена и смесеобразования, сложность самодействующих клапанов компрессора, а также сложность синхронизаторов движения поршней.

Турбопоршневой двигатель

Номер патента: 1789740

Текст

(5)5 Е 02 В 47/02; ЕТЕНИЯ ВТОРСКО ИДЕТЕЛЬСТВУ ай,о ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕЕДОМСТВО СССРОСПАТЕНТ СССР)(71) Ленинградский институт водного транспорта(56) Иванченко Н.Н., О.Г.Красовский,С,С.Соколов, Высокий наддув дизелей.: Машиностроение, 1986.Лазарев Е,А. Эффективность некоторыхспособов охлаждения и типов охладителейнаддувного воздуха в дизеле, Двигателестроение, (ч. 7, 1989., с. 28,29,51,Лебедев О.Н., Сомов В.А., КалашниковС.А. Двигатели внутреннего сгорания речныхсудов. — М.; Транспорт, с. 176-177, 1990.Авторское свидетельство СССРКт 1236132, кл, Р 02 В 47/02, 1984.(57) Изобретение относится к области машиностроения. а именно кдвигателям внутреннего сгорания, преимущественно судовым. Целью изобретения является повышение ресурса двигателя за счет удаления избыточной влаги из наддувного воздуха. Поставленная цель. достигается тем, что турбопоршневой двигатель, содержащий поршневую часть 1, турбину 2, компрессор 3, воздушные трубопроводы 4 и коллектор 7, выпускную магистраль 11, форсунки 5, трубопроводы подачи воды 6, клапаны 20 с исполнительными механизмами, снабжен турбосепаратором 8, трубопроводы 9 и 10 отвода воды которого соединены с выпускной магистралью 11. Турбосепаратор 8 имеет наружную обойму 12 с направляющим аппаратом 13, рабочее колесо 14 и влагоулавливающую камеру 15. Для регулирования расхода воды в воздушном коллекторе 7 установлен датчик температуры 18, соединенный с исполнительным механизмом регулировочного клапана 20.-2 ил,5 10 15 20 25 30 40 45 50 55 Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателямвнутреннего сгорания, преимущественносудовым.Известно, что форсирование двигателей осуществляется путем повышения ихсреднего эффективного давления с помощью агрегатов наддува.Во избежание чрезмерного роста тепловых нагрузок деталей цилиндропоршневой группы ЦПГ), для уменьшения потерьтеплоты в охлаждающую жидкость и с отработавшими газами охлаждение наддувочно го воздуха осуществляют с помощью5 екуперативных теплообменников,Недостатками таких турбопоршневыхдвигателей являются высокие массогабаритные характеристики рекуперативныхтеплообменников и сложность регулирования температуры наддувного воздуха.Известен турбопоршневой двигатель,принятый в качестве прототипа, в которомохлаждение наддувочного воздуха осуществляется путем испарения впрыснутой до илипосле компрессора воды.Недостатками этого двигателя являются:Использование воды из системы охлаждения, содержащей, как правило, антикоррозийные присадки — нитраты, хроматы,полифосфаты, силикаты или молибдаты натрия, что может интенсифицировать абразивный износ ЦПГ и натриево-ванадиевуюкоррозию выпускных клапанов;попадание на стенки втулки цилиндракапель неиспарившейся воды способствуетразрушению масляной пленки и интенсифицирует износ деталей ЦПГ.Подогрев воды перед впрьском теплотой отработавших газов снижает количество теплоты, отбираемой от наддувочноговоздуха,Целью изобретения является повышение ресурса двигателя за счет удаления избыточной влаги из наддувочного воздуха.Поставленная цель достигается тем,что в турбопоршневом двигателе, содержащем поршневую часть, турбокомпрес сор агрегата наддува, воздушныетрубопроводы и коллектор, выпускнуюмагистраль, распылительные форсунки итрубопроводы для подачи воды, регулировочные клапаны с исполнительными механизмами, установленные на трубопроводахподачи воды, согласно изобретению, онснабжен турбосепаратором, установлснным в воздушном коллекторе, трубопроводы отвода воды которбго соединены свыпускной магистралью после турбины агрегата наддува, При этом турбосепаратор выполнен со свободно вращающимся рабочим колесом и содержит наружную обойму с направляющим аппаратом, установленную во внутренней полости воздушного коллектора с кольцевым зазором, а на периферии рабочего колеса размещена влагоулавливающая камера, причем кольцевой зазор и влагоулавливающая камера соединены с помощью трубок с выпускной магистралью. В воздушном коллекторе размещен также датчик температуры воздуха наддува, соединенный с исполнительным механизмом регулированного клапана,На фиг.1 показана принципиальная схема турбопоршневого двигателя; на фиг.2 — турбосепаратор со свободно вращающимся рабочим колесом,Турбопоршневой двигатель состоит из поршневой части 1, турбины 2 и компрессора 3, воздушного трубопровода 4, Форсунки 5 с трубопроводоо подвода воды б установлены на воздушном трубопроводе 4 или коллекторе 7 перед турбосепаратором 8 со свободно вращающимся колесом, который трубками 9 и 10 соединен с выпускной магистралью 11.Турбосепаратор 8 имеет наружную обойму 12 с направляющими аппаратом 13, рабочее колесо 14 и влагоулавливающую камеру 15, причем, последние соединены с выпускной магистралью 11 трубками 9 и 10.Во внутренней обойме 16 установлены подшипники 17, являющиеся опорами консольного рабочего колеса 14 турбосепаратора 8. Для регулирования расхода воды в воздушном коллекторе 7 между компрессором 3 и турбосепаратором 8 установлен термопатрон 18, выполненный легкокипящей жидкостью и соединенный трубкой 19 с исполнительным механизмом регулируемого крана (клапана) 20.Турбопоршневой двигатель работает следующим образом.Отработавшие газы из поршневой части 1 двигателя поступают в турбину 2 агрегата поддува, которая передает механическую энерги.о компрессору 3. В процессе сжатия воздуха в компрессоре 3 происходит повышение его температуры, На вход компрессора 3 или после него с помощью форсунки 5 и трубки подвода воды б осуществляется впрыск воды. Капли воды испаряются. отнимая необходимую для этого теплоту от воздуха, тем самым повышая мощность двигателя и снижая его теплонапряженность,В процессе испарения капель в них возрастает концентрация растворенных в воде солей. Для удаления избыточной влаги ис. пользуют турбосепаратор 8, который представляют собой одноступенчатую турбинусо свободно вращающимися рабочим колесом 14. Наружная обойма 12 установлена вколлектор 7 с некоторым зазором «б», позволяющим улавливать пленочную влагу,двигающуюся по внутренней поверхностивоздушного коллектора 7.Направляющий аппарат 13 обеспечивает закрутку воздушного потока в необходимую сторону вращения рабочегоколеса 14, которое установлено консольно во внутренней обойме 16 на подшипниках 17,Капли, встречаясь с рабочим колесом 1514, отбрасываются на периферию во влагоулавливающую камеру 15. По трубкам 9 и 10избыточная влага, растворенные в воде соли и пыль сбрасываются в выпускную магистраль 11. 20Степень удаления дисперсной влаги,частиц соли и пыли достигает 99 О,Вода для охлаждения воздуха может отбираться из санитарной системы судна илипосле фильтрации (на рис. не показано) из 25наружного контура системы охлаждения иподводится к форсункам 5 с помощью трубок б,Регулировка температуры наддувочного воздуха в зависимости от атмосферных 30 Формула изобретения 1. Турбопоршневой двигатель, содержащий по рш не вую часть, турбо ком и рессор агрегата наддува, воздушные трубопроводы и коллектор, выпускную магистраль, распыли- тельные форсунки и трубопроводы для подачи воды, соединенные с контуром системы охлаждения, регулировочные клапаны с ис полнительными механизмами, установленные на трубопроводах подачи воды,.о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения ресурса двигателя за счет удаления избыточной влаги из наддувочного воздуха, он снабжен турбосепаратором, установленным в воздушном коллекторе, трубопроводы отвода воды которого соединены с выпускной магистралью после турбины агрегата наддува. условий и режима работы турбопоршневого двигателя 1 обеспечивается при помощи термопатрона 18, соединенного трубкой 19 с исполнительным механизмом крана (клапана) 20,Термопатрон 18 заполнен легкокипящей жидкостью или твердым заполнителем, имеющим высокий коэффициент линейного расширения, Рост температуры наддувочного воздуха сопровождается ростом давления в термопатроне 18, которое по трубке передается в исполнительный механизм (например, сильфон ного типа) регулируемого крана (клапана) 20, обеспечивающего его открытие и подачу необходимого для охлаждения наддувочного воздуха количества воды. Регулируя расход от 0 до максимума легко обеспечить приемлемую теплонапряженность и экономичность двигателя как на номинальном, так и на частичных режимах.Испарительная система охлаждения проста в изготовлении и эксплуатаций, имеет небольшие размеры, массу, стоимость, не создает существенных гидравлических сопротивлений, легко поддается регулированию и автоматизации, может применяться в одно- и двухступенчатых системах наддува и в сочетании с рекуперативными теплообменниками. 2. Двигатель по и.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что турбосепаратор выполнен со свободно вращающимся рабочим колесом и содержит наружную обойму с направляющим аппаратом, установленную во внутренней полости воздушного коллектора с кольцевым зазором, а на периферии рабочего колеса размещен влагоулавливающая камера, причем кольцевой зазор и влагоулавливающая камера соединены с помощью трубок с выпускной магистралью,3, Двигатель по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что в воздушном коллекторе размещен датчик температуры воздуха наддува. соединенный с исполнительным механизмом регулировочного клапана.1789740 Ю 17 3 Составитель В, СинцовРедактор О. Стенина Техред М.Моргентал Корректор Н, Бучо ьский комбинат «Патент», г. Ужгород, ул.Га роизводственно Заказ 338 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при 113035, Москва, Ж, Раущская наб., 4/5

Заявка

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ИНСТИТУТ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

БЕЗЮКОВ ОЛЕГ КОНСТАНТИНОВИЧ, ТУЗОВ ЛЕОНИД ВАСИЛЬЕВИЧ, ВУНГИС ВИКТОР АРКАДЬЕВИЧ, СВИСТУНОВ НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ, ХОТЧЕНКОВ ВИКТОР СЕРГЕЕВИЧ