Устройство и работа систем наддува / турбонаддува. Системная терминология.Системы управления.

Приводной центробежный нагнетатель (ПЦН)

Приводной центробежный нагнетатель (рис. 60) состоит из входной улитки или входного патрубка 1, крыльчатки 2, лопа­точного или безлопаточного диффузора 3, сборника или выход­ной улитки 4 и привода 5 крыльчатки.

Входная улитка или входной патрубок 1 служит для подвода воздуха в нагнетатель и закрутки его. Закрутка воздушного по­тока во входной улитке в сторону вращения крыльчатки нагнета­теля делается для того, чтобы воздух входил в крыльчатку без удара о лопатки, т. е. чтобы его скорость относительно лопаток крыльчатки была направлена по касательной к ним. Закрутка воздушного потока перед крыльчаткой в сторону ее вращения уменьшает мощность, затрачиваемую на вращение крыльчатки, и напор, создаваемый крыльчаткой.

В авиационных центробежных нагнетателях улитка не при­меняется. Воздух в таких нагнетателях поступает в крыльчатку в направлении ее оси (осевой вход). Кроме того, в некоторых нагнетателях перед крыльчаткой устанавливается направляю­щий аппарат, представляющий собой ряд лопаток, рас­положенных радиально перед входом в крыльчатку. Лопатки могут вращаться вокруг своих осей. Это так называемые пово­ротные лопатки Стечкина-Поликовского. Они дают возможность изменять закрутку воздуха на входе в крыльчатку нагнетателя во время его работы и тем самым регулировать мощность, затрачи­ваемую на его вращение, и создаваемое им давление. Во вход­ном патрубке 1 устанавливается дроссельная заслонка 6, которой можно регулировать давление наддува и количество воздуха, поступающего в нагнетатель (при наличии поворотных лопаток специальной дроссельной заслонки не требуется).

Рисунок 7.2. Схема приводного центробежного нагнетателя:

а - механизм передачи; б - входная улитка; в - выходная улитка; 1 - входная улитка (входной патрубок); 2- крыльчатка; 3-диффузор;4-выходная улитка (сборник); 5 - привод; 6 - заслонка; 7 -направляющий аппарат

Крыльчатка 2 предназначена для увеличения скорости и давления проходящего через нее воздуха. Для того чтобы обеспе­чить безударное поступление воздуха в крыльчатку как при осе­вом входе, так и при применении поворотных лопаток, входные кромки лопаток загибаются в сторону вращения, образуя по­движной направляющий аппарат 7. Подвижной направляющий аппарат может быть выполнен за одно целое с крыльчаткой или отдельно. В последнем случае он насаживается на ось или втулку крыльчатки.

Крыльчатка вместе с направляющим аппаратом приводится во вращение от коленчатого вала двигателя через шестеренчатую передачу. Число оборотов крыльчатки в современных двигателях может достигать 25000 ÷ 30000 в минуту. Отношение числа оборотов крыльчатки n_кр к числу оборотов коленчатого вала n называется передаточным числом:

Диффузор 3 служит для преобразования кинетической энергии проходящего через него воздуха в потенциальную энергию давления. По своему типу диффузоры делятся на безлопаточные (щелевые) и лопаточные. На рис. 16.7.2 показан лопаточный диффузор.

Сборник или выходная улитка 4 направляет выходящий из диффузора воздух во впускные трубопроводы цилиндров двигателя. Входной патрубок 1, крыльчатка 2, диффузор 3 и выходная улитка 4 составляют гидравлическую часть ПЦН.

Привод 5 представляет собой систему шестерен, при помощи которых вращение от коленчатого вала передается к крыльчатке.

Если привод обеспечивает вращение крыльчатки нагнетателя с одним передаточным числом i, то нагнетатель называется односкоростным, при наличии двух передаточных чисел i₁ и i₂ нагнетатель называется двухскоростным.

Число передач к крыльчатке нагнетателя может быть и больше двух. Такие передачи обычно называются многоскоростными. Кроме того, существуют так называемые бесступенчатые передачи, дающие возможность непрерывно изменять передаточное число в некоторых пределах. К таким передачам относятся передачи, включающие в себя, кроме обычных шестерен, гидромуфты.

Увеличение числа передач к крыльчатке нагнетателя имеет своей основной целью регулирование числа его оборотов и поглощаемой им мощности в зависимости от высоты полета.

Рассмотрим работу приводного центробежного нагнетателя.

На рис. 16.7.3 представлено изменение давления р, температуры Т и скорости с воздуха при движении его через нагнетатель. При вращении крыльчатки на входе в нее создается разрежение, вследствие чего воздух из окружающей среды, имеющей давление Р_Н и температуру Т_Н, начинает поступать в нагнетатель. Размеры входного патрубка выбираются с таким расчетом, чтобы на расчетном режиме скорость воздуха во входном сечении была с₀ = 60 ÷ 80 м/сек. При движении по входному патрубку скорость воздуха несколько возрастает и составляет на входе в крыльчатку (сечение 1) с₁= 80 ÷ 100 м/сек. За счет увеличения скорости температура Т и давление р₁ на входе в крыльчатку несколько понижаются.

В крыльчатке воздуху сообщается энергия, подводимая от двигателя к валу нагнетателя. Эта энергия затрачивается на сжатие воздуха и увеличение его кинетической энергии. Сжатие воздуха происходит за счет центробежных сил, развивающихся вследствие большой скорости вращения крыльчатки. В результате к выходу из крыльчатки (сечение 2) скорость воздуха повышается до с₂ =300÷400 м/сек, а давление — до величины р₂. Так как при сжатии воздуха повышается и его температура, то температура воздуха на выходе его из крыльчатки Т₂ будет также выше температуры Т₂ на входе в нее. Далее воздух попадает в диффузор, где кинетическая энергия воздуха, приобретенная в крыльчатке, преобразуется в давление. Каналы диффузора, образованные лопатками, постепенно расширяются, что приводит к уменьшению скорости движения воздуха до величины с₃. Давление р₃ и температура Т₃ воздуха при этом возрастают. Из диффузора воздух поступает в выходную улитку 4, где происходит дальнейшее понижение скорости до величины с₄ и повышение давления и температуры воздуха до значений р₄ и Т₄. Скорость воздуха c₄ на выходе из улитки путем подбора проходных сечений делают приблизительно равной скорости с₀ на входе, т. е. с₄ ≈ с₀.

Мощность N_c, затрачиваемая на вращение приводного центробежного нагнетателя, зависит от количества воздуха, протекающего через него в единицу времени, величины создаваемого им давления наддува и расчетной высоты и составляет от 10 до 20% от индикаторной мощности двигателя:

И з этой мощности только часть затрачивается на повышение давления от р_н до р₄, а остальная часть расходуется на механические потери в приводе к нагнетателю (1÷2%), гидравлические потери, вызываемые трением боковых поверхностей крыльчатки в зазоре между ней и корпусом нагнетателя (3÷8%), и потери, связанные с протеканием воздуха через нагнетатель (25÷35%). Гидравлические потери переходят в тепло и вызывают дополнительное повышение температуры сжимаемого воздуха.

Из сборника или выходной улитки воздух по трубопроводам поступает в цилиндры двигателя.

Абсолютное давление р₄ воздуха (смеси), замеренное непосредственно на выходе из нагнетателя, есть давление наддува, обозначенное нами ранее р_к.

Абсолютное давление поступающего в цилиндры воздуха (смеси), замеренное во впускном трубопроводе двигателя перед впускными клапанами, может в случае установки карбюратора после нагнетателя значительно отличаться от р_к. Это давление обозначается через р_а.

Давление наддува p_k зависит от давления воздуха на входе в крыльчатку и степени повышения давления в нагнетателе, определяемой диаметром крыльчатки и числом ее оборотов. Так как давление воздуха на входе в крыльчатку зависит от давления окружающей среды, то отсюда следует, что давление наддува зависит от степени открытия дроссельной заслонки нагнетателя или положения поворотных лопаток и высоты полета (давления окружающей среды).

В приводных центробежных нагнетателях современных двигателей температура в среднем повышается на 70 ÷ 150° С при работе двигателя на номинальном режиме.

Повышение температуры воздуха в нагнетателе (подогрев воздуха) приводит к повышению температурного режима работы двигателя и к уменьшению весового количества поступающего в цилиндр воздуха. Последнее вызывает понижение эффективной мощности двигателя. При сильном подогреве воздуха в нагнетателе необходима установка специального радиатора для охлаждения выходящего из него воздуха.