CC BY
50
Серия «Транспортные средства и энергетические установки» Результаты разработки регулируемого турбоэлектрокомпрессора
Лазарев А.В., д.т.н. проф. Каминский В.Н., Каминский Р.В., Сибиряков С.В., Григоров И.Н.,
Костюков Е.А.
АО «НПО «Турботехника» 8 (4967) 74-49-03, [email protected] Аннотация. В статье рассмотрена конструкция, определены параметры и приведены результаты безмоторных испытаний турбоэлектрокомпрессора для транспортных двигателей.
Ключевые слова: турбоэлектрокомпрессор, обратимая электрическая машина, ротор, статор
Сегодня вопрос подачи в цилиндр двигателя топлива в нужный момент и в нужном количестве решен за счет, например, системы Common rail, а дозированная подача воздуха в необходимый момент времени до сих пор является проблемой. Решить данную задачу позволит электронно-управляемый гибридный агрегат наддува.
Для решения задачи полезной утилизации избыточной мощности турбокомпрессора многие ведущие мировые производители ТКР пошли по пути гибридизации агрегатов наддува.
Понятие Hybrid Turbocharger Technology (HTT) продолжительно и часто обсуждается в литературе, однако, серийно выпускаемого силового агрегата с гибридным турбонагнетателем пока нет.
Статистика показывает, что в городе водитель значительную долю времени тратит на остановки, разгоны и торможения и лишь примерно 1/5 всего времени движется равномерно. Таким образом, часть энергии, невостребованная на одних режимах, но необходимая на других, безвозвратно теряется. Это можно в определенной степени исправить при наличии возможности передавать избыточную энергию на постоянный дополнительный потребитель, который бы мог ее аккумулировать с последующей передачей нуждающемуся потребителю.
В рамках государственного контракта «Поисковые и экспериментальные исследования по созданию систем наддува для модернизации базовых образцов средне- и высокооборотных дизельных двигателей и создания перспективных дизельных двигателей» (Шифр «Коллекция») НПО «Турботехника» провела работы по проектированию, изготовлению и испытанию регулируемого турбоэлектрокомпрессора с обратимой электрической машиной.
Конструктивно турбоэлектрокомпрессор (ТЭК) содержит:
• турбину и компрессор, являющиеся лопастными машинами и состоящие из рабочих колёс, жёстко связанных общим валом (ротором), и корпусов;
• обратимой электрической машины (далее ОЭМ), ротор которой жёстко посажен на вал ротора турбокомпрессора между опорными подшипниками ротора ТКР, а статор неподвижно закреплён в корпусе подшипников ТКР концентрично относительно ротора;
• корпуса подшипников ТКР, служащего для крепления корпусов компрессора и турбины, размещения подшипников ротора ТКР и установки статора ОЭМ, также корпус подшипников имеет контур водяного охлаждения;
• блока управления и питания ТЭК в режимах генератора и двигателя.
На рисунке 1 показаны внешний вид опытного образца турбоэлектрокомпрессора ТЭК-120 и его SD-модель в разрезе.
Обратимая электрическая машина с основными геометрическими размерами представлена на рисунке 2. Ротор ОЭМ конструктивно представляет собой цилиндрическую втулку с закрепленными на ней четырьмя сегментными магнитами. По внешнему диаметру магнитов имеется бандаж, выполненный из углеволокна (другой вариант: бандаж выполняется из титана).
Испытания проведены на безмоторном стенде НПО «Турботехника». Стенд оборудован необходимыми для проведения испытаний системами и средствами измерений в соответствии с ГОСТ Р 53637-2009.
а) Фото ТЭК 120 б) 3Б-модель ТЭК 120 (в разрезе)
Рисунок 1. Турбоэлектрокомпрессор
а) Статор ОЭМ б) Ротор ОЭМ
Рисунок 2. Обратимая электрическая машина
Характеристики ТЭК-120 оценивались на следующих режимах:
• при работе ОЭМ в режиме холостого хода в диапазоне окружных скоростей колеса компрессора ик2 = 200 - 500 м/с через 50 м/с;
• при работе ОЭМ в режиме двигателя в диапазоне начальных окружных скоростей колеса компрессора ик2 = 200 - 500 м/с через 50 м/с;
• при работе ОЭМ в режиме генератора в диапазоне начальных окружных скоростей колеса компрессора ик2 = 250 - 500 м/с через 50 м/с.
На рисунке 3 представлена характеристика компрессорной ступени ТЭК 120 при ОЭМ, работающей в режиме двигателя и в режиме холостого хода. Сплошными линиями показан режим холостого хода ОЭМ, пунктиром обозначено смещение линий Пк относительно линий холостого хода при работающей ОЭМ в режиме двигателя.
Nk, кВт
* — — ОЭМ | режиме ,чвн| яге:«
Рисунок 3. Сравнительные характеристики компрессора турбоэлектроком-прессора ТЭК 120 при работе ОЭМ в режиме холостого хода и режиме двигателя
»
V »
/ \ \
/
/
/ \
*
*
/
f
/
--
г* шт=СЛ
ЗОО двиг
1,2 Genp, кг/с
- ОЭМ в режиме холостого хода
------- ОЭМ в режиме двигателя
Рисунок 4. График изменения мощности компрессора при работе ОЭМ в режиме двигателя
0,10 0,30 0.30 МО 0,50 0.60 0,70 O.SO 0.90 1.00 1.10 1.20 I Ёриклснныл раскол BouiyKeGB up - кг/с (1цр 20"С, prfl ■ 10I.Í2S «На) ТЭК 120 № 2047-18
íí, - 130 ИИ. 11,-12.3 Им, d. 27.?»«. t - 1-Ц7), Ь, Н мм, Ь, - d мм. 1ЧЯ мм. Л^-0,5 мм
-' 01М Н режиме \'.1.кк. ГОШ млLH
— — — (}')М II режиме l t! пери тира
Рисунок 5. Сравнительные характеристики компрессора турбоэлектроком-прессора ТЭК 120 при работе ОЭМ в режиме холостого хода и режиме генератора
\
44-
/ /
/ /' / V
/
N
у
/
ü¡
рг
f
№ ■U,
■У - «íÍTl rl \J/
I <
в
1.2 Genp, кг/с
в режиме холостого хо, в режиме генератора
Рисунок 6. График изменения мощности компрессора при работе ОЭМ в режиме генератора
На рисунке 4 представлен график изменения мощности компрессора в зависимости от приведенного расхода воздуха, сплошным показаны линии при работе ОЭМ в режиме холостого хода, а пунктиром - в режиме двигателя.
На рисунке 5 представлены результаты испытаний ТЭК 120 при ОЭМ, работающей в режиме генератора, в сравнении с режимом холостого хода. Сплошными линиями показан режим холостого хода ОЭМ, пунктиром обозначено смещение линий Пк относительно линий холостого хода при работающей ОЭМ в режиме генератора.
По аналогии на рисунке 6 представлен график изменения мощности компрессора в зависимости от приведенного расхода воздуха, сплошным показаны линии при работе ОЭМ в режиме холостого хода, а пунктиром - в режиме генератора.
< I
Частота лращеиия шшчомки на. 1а п, об/.чин ---ОЭМ <5 кВт) ОЭМ (10 «Вт) ---ОЭМ <15 кВт)
Рисунок 7. Внешняя скоростная характеристика двигателя 6 ЧН 13/15,6 мощностью 550
кВт с ТЭК
Выводы
Характеристика компрессора ТЭК 120 при работе ОЭМ в режиме холостого хода в пределах точности измерений стенда соответствует характеристике компрессора прототипа, на основе которого изготовлен электротурбокомпрессор. То есть конструктивные изменения турбокомпрессора, связанные с установкой ОЭМ, не влияют на характеристики лопастных агрегатов электротурбокомпрессора.
При работе ОЭМ в режиме двигателя степень повышения давления в компрессорной ступени увеличивается от 0,02 до 0,37 на режимах, соответствующих 200 - 500 м/с по окружной скорости колеса компрессора. Мощность компрессора увеличивается в диапазоне от 5,08 до 16,15 кВт.
При работе ОЭМ в режиме генератора мощность компрессора уменьшается в диапазоне от 2,29 до 13,59 кВт на режимах, соответствующих 250 - 500 м/с по окружной скорости колеса компрессора. Таким образом, имеется возможность рекуперации энергии по мощности равной указанному выше диапазону, что практически соответствует проектной мощно-
сти ОЭМ равной 15 кВт.
Контрольная проверка по результатам безмоторных испытаний, каких-либо нарушений конструкции и вредных контактов не выявила, что характеризует данную конструкцию тур-боэлектрокомпрессора работоспособной.
Для оценки изменения характеристики двигателя были проведены расчеты двигателя 6ЧН 13/15,6 мощностью 550 кВт, в которых оценивалась величина изменения мощности и крутящего момента, при разной мощности ОЭМ (рисунок 7). Таким образом, при мощности ОЭМ 5 кВт увеличение мощности двигателя в диапазоне частот вращения коленчатого вала 1000 - 1400 об/мин составляет ~ 11%, при мощности ОЭМ 10 кВт - 21%, а при мощности ОЭМ 15 кВт - 31%.
Литература
1. Пинский Ф.И., Давтян Р.И., Черняк Б.Я. Микропроцессорные системы управления автомобильными двигателями внутреннего сгорания. Учебное пособие. - М. «Легион-Автодата». 2002. 136 с. ил.
2. Работа политехнического института г. Турин, Италия совместно с компаниями Iveco S.P.A, Италия и Holset Turbochargers, Великобритания. 2005.
Обзор проблемы течения влажного воздуха в турбодетандерах
Мартьянов О.А., д.т.н. проф. Меркулов В.И.
Университет машиностроения [email protected]
Аннотация. В статье приведены результаты анализа влияния влажности воздуха на работу турбодетандера.
Ключевые слова: пульсации давления, влажный воздух, воздушная турбина, обледенение
Для современной авиации чаще всего характерны большие высоты полета, на которых влажность атмосферного воздуха относительно мала и ее влияние на работу и характеристики авиационных систем можно не принимать во внимание. Однако на ряде режимов полета, в таких как полеты на малой высоте, в летний период в районах с высокой относительной влажностью и высокой температурой окружающей среды, количество водяных паров в атмосфере может оказаться столь значительным, что становится неизбежной конденсация влаги в агрегатах авиационных систем.
Исходя из рисунка 1, очевидно, что при полетах на определенных высотах и в различных климатических зонах появляется опасность обледенения как проточной части турбома-шины, так и агрегатов, расположенных в системе кондиционирования. В связи с этим стоит отметить, что подобные факторы могут играть значительную роль как в надежности работы турбокомпрессора, так и в надежности и долговечности всей системы. По вопросам, связанным с данной проблемой, проводится большое количество исследований, ставящих перед собой различные задачи. Многие работы ведутся с упором на экспериментальные данные, например, оценка характера изменения работы турбокомпрессора при введении в него капельной влаги различного размера. Однако на данный момент также проводятся исследования, которые касаются поведения влаги в потоке, ее конденсации и воздействия на лопатки (разрушение лопаток, пульсации давления в потоке). Данные исследования способны содействовать формированию комплексного подхода к данной проблеме.
После оценки приведенных данных можно сделать выводы о характере изменений в работе турбокомпрессора, проанализировать показатели наличия влаги в капельной форме и разработать методику предупреждения обледенения, которая в дальнейшем позволит избежать негативных последствий, связанных с наличием крупнодисперсной влаги в проточной части турбокомпрессора.
Далее рассматриваются работы, в которых раскрываются вопросы поведения влажного
