ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С КОМБИНИРОВАННОЙ ИСТЕМОЙ НАДДУВА

На фиг. 7. 8 представлена часто применяемая схема поршне­вого двигателя с комбинированным наддувом (КН). Основными элементами этой схемы являются: всасывающий патрубок 1; турбокомпрессор, состоящий из турбины 2, приводимой во вра­щение выхлопными газами, и нагнетателя турбокомпрессора (НТК), 3, сидящего на одном валу с турбиной; промежуточный радиатор 4, служащий для охлаждения воздуха; карбюратор 5 и односкоростной приводной центробежный нагнетатель в (ПЦН). Воздух через всасывающий патрубок поступает в НТК, являющийся первой ступенью сжатия. Из НТК воздух поступает в промежуточный радиатор, а затем, пройдя через карбюратор, сжимается в ПЦН, являющемся второй ступенью сжатия. Вы­хлопные газы после выхода из двигателя частично идут на вы­

хлоп в атмосферу, а часть их направляется в турбину турбоком­прессора. Регулирование количества газов, попадающих в тур — бину, производится при помощи дросселя перепуска 7.

На фиг. 7. 9 представлен примерный вид высотной характе­ристики двигателя с. КН для номинального режима работы — Высотная характеристика может быть разбита на три участка — ABf ВС и CD. На первом участке — от земли до расчетной вы­соты приводного нагнетателя дроссель перепуска выхлопных

Фиг. 7. 8. Схема поршневого двигателя с комбинирован­ным наддувом. 7—всасывающий патрубок; 2—турбина турбокомпрессора; 3—нагне­татель турбокомпрессора; 4—промежуточный радиатор; б—карбюра­тор; 6— ПЦН; 7—дроссель перепуска.

газов полностью открыт, а дроссель карбюратора по мере уве­личения высоты все больше открывается, пока он не откроется полностью на расчетной высоте ПЦН (см. кривую ©лр). На этом участке двигатель работает примерно так же, как и двигатель с ПЦН без турбокомпрессора ниже границы высотности. Вы­сота, соответствующая точке В, называется первой границей высотности.

На втором участке ВС дроссель карбюратора полностью от­крыт, а дроссель перепуска выхлопных газов постепенно при­крывается, направляя по мере увеличения высоты полета все большее количество выхлопных газов в турбину, в результате чего повышаются обороты ТК. При этом, как и на первом уча­стке, давление наддува поддерживается постоянным. На неко­торой высоте (соответствующей точке С на фиг. 7.9) обороты турбокомпрессора достигают максимально допустимой величины пгкиом. Эта высота называется второй границей высотности.

(часто ее называют просто границей высотности). На третьей участке, т. е. на высотах, больших второй границы, ТК вра­щается с постоянным числом оборотов, в связи с чем по мере увеличения высоты падает давление наддува рк.

Фиг. 7. 9. Примерный вид высотной характеристики двигателя с КН при номинальном режиме работы. <Рлр— Угол открытия дросселя карбюратора; ?пер — угол открытия дросселя перепуска.

Рассмотрим, как изменяется мощность двигателя с КН и зависимости от изменения атмосферных условий на втором и на третьем участках і. Мы выведем формулы для изменения мощ­ности двигателя с КН только* в зависимости от изменения тем­пературы воздуха Ти при неизменной барометрической высоте Нр (т. е. при рн~const) и при постоянных оборотах (n=const).

1 Приводимые ниже результаты близко совпадают с результатами, по­лученными И. И. Шунейко.

Для упрощения выкладок мы будем считать, что всасываю­щий патрубок и нагнетатель турбокомпрессора можно рассмат­ривать как единый агрегат, в котором при постоянных оборотах Лтк =const повышение температуры при сжатии воздуха Д7 остается постоянным независимо от температуры наружного воздуха Тн• Кроме того, адиабатический к. п. д. всасывающей системы и НТК т]аді, а также адиабатический коэффициент ПЦН т]дд2 мы будем считать постоянными.

Рассмотрим изменение по тракту температуры и давления воздуха, поступающего в двигатель. При сделанных нами допу­щениях для всасывающего патрубка и НТК мы можем написать

где — Т2 и Р2 — температура и давление воздуха за НТК (см. фиг. 7.8).

Всл едств и е гидр а в л и ч еского соп ротивления п ром ежу точної о радиатора

Рз=Р2— Д/?р, (7.27)

где Рз — давление воздуха за радиатором,

Д/?р — потеря полного напора при прохождении воздуха че­рез радиатор. В хорошо выполненных радиаторах Дрр очень мало и «е превышает 15—20 мм рт. ст. Для оценки степени охлаждения воздуха в промежуточном радиаторе вводится так называемый коэффициент качества ч]р, равный

Т2-П Т2-Те 9

и представляющий отношение фактического перепада темпера­тур воздуха в радиаторе к максимально возможному перепаду. Значение коэффициента yjp зависит как от качества и конструк­ции радиатора, так и от степени открытия регулируемых засло­нок туннеля промежуточного радиатора. Обычно величина леіжит в диапазоне от 0,50 до 0,70. В среднем можно считать 7]р== 0,60 как для стандартных, так и для фактических условий полета. Из формул (7.26) и (7.28) следует, что

Т3 — ^2 ^е)—Тн-1~(1 ^р) A Tt.

По изложенным ранее соображениям [см. формулу (7. 15)] можно считать, что при n=const

A7,2=const.

Из формул (7. 29) и (7. 30) найдем, что

7’* = Тд + (1-1]р)ДТа + А7-1>

а из формулы (7.30)

Выразив р3 из (7.27) и (7.26), а Т3 из (7.30) и (7.31) и под­ставив в последнее равенство, получим

Формулы (7.31) и (7.32) могут быть использованы для высот как выше, так и ниже второй границы высотности. Однако в первом случае, птк=const, а следовательно, и ATi^const, а ниже границы высотности пткФ const, следовательно, и Д7=£ const. Значения д7 и яткмогут быть найдены из условия, что ниже границы высотности pk=const.

Для упрощения дальнейших выкладок введем следующие обозначения:

Кроме того, так как

Рг — ДрР=Л ( 1 — ~) >

а очень мало и меняется в сравнительно узких пределах,

Pi

то с достаточной для наших целей точностью можно считать, что

Рз~Рг•

При указанных выше обозначениях, полагая ^£-«0, по-

Р2

лучим следующие формулы для двигателя с комбинирован­ным наддувом:

Д7’1 = -^-Г1, (7.26′)

^аді

10 772

Г} = 7’я (1 + —Гі). V ^аді /	(7.29′)
дт2=^-г2.	(7.30′)
+ 1_Ylpr1+ т, ад’ г2- *]ад1 ^адг
Чаді / ^ад2 /	(7.31′)
	(7.32′)

Рассмотрим вначале изменение давления наддува рк и тем­пературы смеси Тк выше второй границы высотности в зависи­мости от изменения температуры воздуха Т#. При сделанных нами допущениях в этом случае A Theorist и Ar2 = const. Диф­ференцируя правую и левую части формулы (7.31), получим

dTk = d, Ta

или

(7.33)

где

Подставляя значение — по формуле (7. ЗГ), найдем, что

Тп

ИЛИ

(7.34)

Как показывают расчеты, в диапазоне встречаемых на практике значений *rjp, т]ад1 и гіад2 величина показателя Ткт

сравнительно мало зависит от их значений, а главным образом

зависит от — и —« —. Так как

Рн Ръ р2

Р± Pk = Рн Р2 Р2_ ’ Рн Фиг. 7.10. Зависимость показателя Г^для двигателя с КН выше границы высотности от — и — Рн Рн

то, следовательно, показатель TkT является функцией от —

Рв

и —. На фиг. 7.10 представлена зависимость показателя Рв

Тьт для двигателя с КН выше границы высотности от —

Рв

и —. При подсчете было принято, что Рв

= ^ад1 = ^ад2 = 0.6.

В случае отсутствия турбокомпрессора и промежуточного радиатора р%—рг—рн и Т^—Т^—Тн. Легко видеть, что при этих условиях формула (7.34) для Тит совпадает с формулой (7.20) для двигателя с ПЦН. Таким образом представленную на

фиг. 7. 10 кривую для — =1 можно рассматривать, как кривую

Рн

10*

изменения показателя Т ьт для двигателя с ПЦН. Как видно из фиг. 7.10, изменение Тн у двигателя с комбини­рованным наддувом выше границы высот­ности при изменении температуры наруж­ного воздуха несколько больше, чем у двига­теля с ПЦН при одинаковой высотности обоих двигателей

(т. е. при одинаковых —).

Рн)

В случае отсутствия в нагнетающей системе двигателя при­водного1 центробежного нагнетателя (ПЦН), но при наличии радиатора, рк=р^р2 и 7=Г3. Следовательно, представленную

Р k

на фиг. 7. 10 кривую Ткт для — = 1 (верхняя штрихпунктирная

Рг

кривая) можно рассматривать как кривую изменения показа­теля Т кт для двигателя с турбокомпрессором и радиатором, охлаждающим воздух, но без ПЦН. У такого двигателя влия­ние температуры наружного воздуха на величину 7* выше, чем у двигателя с КН или с ПЦН (при одинаковой высотности срав­ниваемых двигателей).

В случае отсутствия в нагнетающей системе двигателя и ПЦН и радиатора, положив в формуле (7.34) и]р=0, Рк=рз=Рз, получим

Это выражение полностью совпадает с формулой (7. 20) для

двигателя с ПЦН. Следовательно, кривой для — = 1 (фиг. 7. 10)

Рн

можно пользоваться также для двигателя, у которого наддув создается только нагнетателем турбокомпрессора.

!ц dpk

Определим теперь показатель Ркт=— -—• для высот выше

Рм дтн,

второй границы высотности. Взяв логарифмический дифферен­циал от обеих частей уравнения (7.32′), получим

k — 1 dpk йЦ dY2 k Pk l + 1 + ^2

Взяв логарифмические дифференциалы от обеих частей уравне­ния (7.26′), найдем

(7.36)

или

dYx У, dTH

1 + Yt Та

Аналогично логарифмические уравнений (7. 29′) и (7. 30′)	дифференциалы от будут	обеих	частей
	dT3_	dT„	і тіал1
		Те	1 — т » І + ‘—ЬГ! ^аді
		dY2 У2 ‘	її 1 *1$
или, воспользовавшись уравнением (7.36),
dY9 _	У2	чт,_	У, 1	dTn
1 + ^2	1 + ^2	п	1 + Уа і+1 ~ т, р г, ^ад!	Тя ’	(7. 38)

Подставив уравнения (7.38) и (7.36) в уравнение (7.35), после преобразований получим

На фиг. 7.11 приведена зависимость показателя р^т от —

Рн

И — ДЛЯ ТГ)р=7)ад1= 7]ал2 = 0,6. Легко видеть, ЧТО при Рз~Р2~Р//

PH

и 7,з=Г2=Гя формула (7.40) переходит в формулу (7.19) для двигателя с ПЦН. Следовательно, изображенная на фиг. 7. 11

кривая для — =1 совпадает с аналогичной кривой для двига — Рн

теля с ПЦН. Из формулы (7. 40) следует, что этой же кривой можно воспользоваться для двигателя, у которого наддув со­здается только нагнетателем турбокомпрессора (для такого дви­гателя тг]р=0, а р/с=рз=Р2). Как видно из фиг. 7. 11, показатель

„ Pk

РЬТДЛЯ постоянных значении — почти не изменяется при изме-

Рн

ро

нении — в широких пределах. Таким образом можно считать, Ри

что изменение давления наддува выше второй границы высот-

с кн

ности при изменении температуры наружного воздуха примерно одинаково у двигателя с ПЦН и у двигателя с КН при одина­ковой высотности обоих двигателей.

Так как при постоянной барометрической высоте #p=const изменение температуры воздуха мало влияет на величину про­тиводавления на выхлопе, то мы для учета изменения мощности двигателей с КН воспользуемся той же приближенной формулой (7. 4), что и для двигателей с ПЦН, т. е.

Выше границы высотности, как мы уже знаем [формула <7. 22)],

n Tjl<№±=p ]_т (7.22)

т Ne дТн ykT Iм ‘ ‘

Ha фиг. 7.12 приведена зависимость показателя NT от

— и — для двигателя с ПЦН (кривая для — =1) и для Га Рн v Ptr ‘

Pk

Рг

теля с КН. выше границы высотности от и

двигателя с КН ^кривые для ^- = 1,5; 2; 3; 4^. Кривые для

двигателя с КН для разных значений — близки друг к дру-

Рп

гу, причем NT при малой высотности двигателя с КН выше, чем у двигателя с ПЦН одинаковой высотности, на 8°/0, а при большой высотности — на 5%. Таким образом влияние

изменения температуры воздуха на мощность двигателя выше границы высотности несколько больше для двигателей с КН, чем для двигате­лей с ПЦН.

Из приведенных ранее соображений следует, что штрих-

Pk

пунктирная кривая на фиг. 7.12, для которой —=1, пред-

Рч

ставляет изменение показателя NT для двигателя с турбо — компрессором и радиатором, но без ПЦН; кривой же для

— =1 можно воспользоваться для двигателя с турбокомпрес-

Рн

сором, но без ПЦН и радиатора.

Перейдем теперь к анализу изменения мощности двигателя с КН ниже второй границы высотности. Мы рассмотрим только ту область режимов работы двигателя, в которой сохранение постоянного давления наддува рк достигается изменением числа оборотов турбокомпрессора путем соответствующего открытия дросселя перепуска газов при заслонке карбюратора полностью открытой (область II на фиг. 7.9). При большой высотности приводного центробежного нагнетателя у некоторых двигателей при полете на малых высотах может оказаться, что даже при полном выключении ТК давление наддува окажется выше но­минального его значения, если не прикрывать дроссельную за­слонку карбюратора. Так как на этом участке работы двига­теля можно воспользоваться выведенными ранее соотношениями для двигателя с ПЦН ниже границы высотности, то мы в даль­нейшем будем считать, что дроссельная заслонка карбюратора открыта полностью, а ТК вращается с таким числом оборотов Ятк, которое необходимо ДЛЯ сохранения рк = Рк, юм=^ =const. При этом, как и раньше, мы будем выводить формулы для учета влияния температуры при n=const и Нр=const.

Продифференцировав при указанных условиях формулу

(7.31) для Тк, получим

dTk = dTB + (l—vWTj)

Для определения величины

нию (7.26′). Из него следует, что

<тг,) г, , Тв dVi

Так как при Н. — const ниже границы высотности и — = constf

Рш

то, взяв логарифмический дифференциал от обеих частей ура­внения (7.32′), получим

dYx	, dY,	— 0
1 + Уі	1+ У,
dY, _	1+УІ	dYt
dTu	1 + y2	dTH

Взяв (как мы уже это делали выше) логарифмические дифференциалы от обеих частей уравнения (7.30′), найдем

dYг	_ dTa
У*	Ta
dY2 _	_
dTB ~ ’	&Tв

dT3 dTB ‘ ■ dTE

Продифференцировав уравнение (7.29), получим

d <&ТХ)

Подставив в уравнение (7.42) вместо —— его значение по

dTB

полученным выше выражениям, найдем

d<bh) _ Yx Тв 1+ УХ Т2 [• п, «НАГ,) і

ЧТВ т, аді т;ад1 1 + Уч Та L р dTB

или, заменив — его значением по уравнению (7.29′) Тв

d (АГр Гі [_________ 1 14 Г, Уз

dTB ■’Чаді Чаді 1 + У г, , 1 ~ Чр

1+ 11
"Чад!

Умножив обе части последнего уравнения на (1 — к)р) и при­бавив после этого по единице, получим

^ЬТ —
1

и — для т] =7] 1 = т] 2 = 0,6, вычисленного по формуле (7.44). Рн

Pk

Там же нанесена сетка кривых — = const. Пунктирная ли*

Р2

ния дает зависимость показателя Тkr от — для двигателя

Ре

с ПЦН ниже границы высотности.

Для Нр=const и n=const изменение мощности двигателя ниже границы высотности может быть подсчитано по прибли­женной формуле

> ф -| / 1 k ст

ст г ф

Из фиг. 7. 13 видно, что ниже границы высотности мощность двигателя с КН изменяется сильнее при изменении температуры

Pk

воздуха, чем у двигателя с ПЦН. Так как —- для заданного

Рг

двигателя изменяется ниже границы высотности в очень малой степени, то, как это следует из фиг. 7. 13, показатель Nr для всех высот ниже границы высотности сохраняет для данного двигателя почти постоянное значение. Для двигателей с КН, у

Рн Рн

которых — находится в диапазоне 1,5—’2,0, можно принять,

что в среднем ниже границы высотности ЛУ=——— ^-Tk7=—0,44.

Если бы в двигателе не было ПЦН и наддув создавался бы

только нагнетателем турбокомпрессора (— = 1), то Nt равня-

‘ Р2 *

лось бы — 0,50.

Заметим, что формулу (7. 44) можно применять только при

условии, что — >1. Если бы отношение — равнялось 1, то для Рн Рн

сохранения постоянства давления наддува необходимо было бы при изменении температуры воздуха изменять положение дрос­сельной заслонки в карбюраторе. Между тем при выводе фор­мулы (7. 44) мы считали, что дроссельная заслонка карбюратора находится неизменно в положении полного открытия.

На малых высотах, когда в турбокомпрессоре не произво­дится сжатия воздуха, двигатель с КН работает примерно так же, как и двигатель с ПЦН. Вследствие этого для таких высот показатели Тът и Nt можно определить по пунктирной кривой

Р k

фиг. 7. 13 для значения —> соответствующего той высоте, начи-

Рн

ная с которой дроссельная заслонка карбюратора при A2=const остается в положении полного открытия, а — — начинает увели­чиваться.

Рассмотрим теперь приведение к стандартным условиям оборотов турбокомпрессора ятк ниже второй границы высот­ности. Приведение будем делать при #p=const и n = const. Как известно из теории нагнетателей, адиабатическая работа сжатия равна

th g	izDti’ (Ю
(7.45)

 

где и и D — окружная скорость и диаметр крыльчатки нагне­тателя;

rjh — гидравлический коэффициент полезного действия на­гнетателя.

Для центробежных нагнетателей в широком диапазоне ре­жимов работы можно считать T^const. Так как адиабатиче­ская работа нагнетателя ТК пропорциональна A7 (в силу ра­венства £ад= /^адхДГ^, то из формулы (7.45) следует, что

ПТК = АУЬТ~ (7.46)

где

Для данного двигателя А можно считать постоянной вели­чиной. Из формулы (7. 46) получим

Дятк 1 Д(Д7))

лТк 2 Д 7j

Подставляя вместо сі(Тг) и Tt их выражения из формул (7.43) и (7.26′), получим

— Kj

1 + —

dnTK __ 1 ‘Раді I itтк 2 1 — Чр У]

47 в ТЕ

 

Чаді

ИЛИ

(7.47)

 

где

На фиг. 7.14 представлена зависимость показателя

Ph Р2

от— и — при Чи = Чаді = ‘Чад8 = 0,6. Так как дткг>0, то

Рн Рн

с ростом температуры наружного воздуха возрастают и обо­роты турбокомпрессора, причем чем больше доля ТК

в сжатии воздуха (т. е. чем больше —тем мены

V Ре /

ше влияние температуры на изменение оборо­тов ТК при полете ниже второй границы высот­ности. Для системы наддува, состоящей только из нагне­тателя ТК, показатель птк т достигает минимального значения, равного 0,5.