ТУРБОКОМПРЕССОР С РЕГУЛИРУЕМЫМ НАДДУВОМ
TURBINE COMPRESSOR WITH ADJUSTED BOOST

Турбокомпрессор с регулируемым наддувом относится к области машиностроения, а именно к турбокомпрессорам, применяемым, например, для наддува двигателей внутреннего сгорания, в частности, транспортного назначения (тепловозы).
Известны турбокомпрессоры, применяемые, например, для наддува двигателей внутреннего сгорания, в частности, транспортного назначения, ими являются устройства, содержащие турбину, состоящую из рабочего колеса с лопатками, лопаточного соплового аппарата с кожухом, газоприемного и выхлопного корпусов и компрессора, состоящего из колеса компрессора, диффузора (например, лопаточного) и корпуса компрессора, причем рабочее колесо турбины и колесо компрессора посажены на общий вал, установленный с возможностью вращения на подшипниковых опорах, расположенных между рабочими колесами турбины и компрессора (см. Под редакцией Л.С. Назарова "Маневровые тепловозы" М., «Транспорт», 1977 г., 408 с.).
Недостатком данного технического решения является малый вращающий момент при запуске двигателя и невозможность регулирования напора рабочего тела на лопатки турбины.
Известна также радиальная многоконтурная центростремительная турбина (см. А.С. СССР №500376, МКИ F04D 17/02; F02С 9/100). Она содержит корпус и сопловой аппарат, ограничивающая стенка которого подпружинена и установлена в корпусе подвижно в осевом направлении, причем эта стенка установлена на направляющих штифтах. Данное устройство позволяет осуществлять регулировку давления наддува.
Из известных наиболее близким по технической сущности является устройство, реализованное в турбокомпрессоре, работающем на отработавших газах, для двигателя внутреннего сгорания, который содержит корпус и ротор, при этом корпус содержит участок отвода отработавших газов, выполненный с возможностью протекания газов, а ротор содержит турбинное колесо и жестко соединенный на кручение с турбинным колесом вал с осью вращения, при этом турбинное колесо установлено в опорах с возможностью вращения в участке отвода отработавших газов и выполнено с возможностью подачи на него отработавших газов, а в участке отвода отработавших газов расположено направляющее устройство для изменения подачи отработавших газов на турбинное колесо, причем направляющее устройство содержит выполненное с возможностью протекания газов направляющее решетчатое кольцо и осевую задвижку, а направляющее решетчатое кольцо содержит стойку для фиксации, а также выполненные с возможностью протекания газов направляющие лопатки, а осевая задвижка выполнена с возможностью захватывания направляющих лопаток. Согласно изобретению направляющее решетчатое кольцо содержит направляющие лопатки, которые выполнены с возможностью захватывания осевой задвижкой, начиная от стойки. Изобретение обеспечивает повышение надежности турбокомпрессора, работающего на отработанных газах. Недостатком является малый КПД и невозможность регулирования вращающего момента турбины.
Известным недостатком турбокомпрессора является низкая эффективность его работы при малой частоте вращения вала двигателя, когда количество отработавших газов невелико. Кроме того, турбонадувный двигатель, как правило, имеет так называемую «турбояму» - замедленный отклик на увеличение подачи топлива. Одним из упрощенных способов устранения указанных недостатков является применение регулятора скорости потока отработавших газов на входе в турбину.
В этой связи предлагаемое изобретение направлено на повышение эффективности работы и КПД турбокомпрессора.
На фиг. 1 представлен общий вид турбокомпрессора, на фиг. 2 - рабочее колесо с лопатками.
Техническим результатом является обеспечение управляемости турбокомпрессора.
Это достигается путем изменения скорости потока отработавших газов на входе в турбину. Для этой цели согласно предлагаемому изобретению в известную конструкцию турбины дополнительно вводится устройство, обеспечивающее разделение потока отработавших газов и его подвод к лопатке турбины рабочего колеса под углом к основному направлению подвода газа, а также изменяется профиль лопаток рабочего колеса. Вместе с тем обеспечивается автоматизированное регулирования количества подаваемого на лопатки газа в каждом канале подвода с помощью заслонок. Введение новых элементов конструкции и связей между ними обеспечивает решение поставленной задачи.
Турбина с регулируемым наддувом (фиг. 1) содержит корпус 1, рабочее колесо 2 с лопатками, вал с опорами 3, диффузор 4, газоприемный корпус, содержащий фронтальный 5 и радиальный 6 профилированные каналы для подвода газов, соединенные с нижними левым 7 и правым 15 нагнетательными каналами соответственно газоприемного корпуса, верхние перепускные каналы 10, 12 (левый и правый) которого являются перепускными для отвода газов, при этом каналы 7, 15 для подвода газов соединяются попарно с перепускными каналами 10, 12 через устройство управления производительностью турбины в виде двух параллельных поворотных задвижек 11 и 13, установленных на валиках 9 на входе газоприемного корпуса с управлением посредством, например, пневмодвигателей 8, 14, а рабочее колесо 2 при этом представляет комбинацию лопаток с профилем, выполненным на цилиндрической и тороидальной части с переходами от одной геометрической поверхности к другой (фиг. 2).
Устройство работает следующим образом. Турбокомпрессор устанавливается на двигатель таким образом, что выхлопные газы, имеющие высокую температуру и избыточное давление, из выпускного коллектора двигателя (на фиг. не показан), подсоединяемого к фланцу газоприемного корпуса, поступают через левый 7 и правый 15 нагнетательные каналы к левой 12 и правой 13 поворотным задвижкам соответственно и далее во фронтальный 5 и радиальный 6 профилированные каналы, где потенциальная энергия давления выхлопных газов преобразуется в кинетическую энергию потока с приданием потоку необходимого направления. Далее, в каналах, образованных верхней и боковой поверхностями лопаток рабочего колеса 2 турбины и корпусом 1, происходит преобразование кинетической энергии потока в механическую работу вращения рабочего колеса 2 турбины и формирование крутящего момента, который через вал передается на колесо компрессора. Если давление в компрессоре превышает заданную величину, то давление на входе в турбину регулируется двумя заслонками. При этом пневмодвигатели 8, 14 соответственно поворачивают левую 7 и правую 15 задвижки на заданный угол, перепуская часть газов с выпускного коллектора по перепускным каналам 10 или 12 в выпускной тракт. Для обеспечения эффективной работы турбины ее рабочее колесо 2 имеет профиль лопатки, выполненный на цилиндрической и тороидальной части с переходами от одной геометрической поверхности к другой. При этом лопатки имеют две рабочие поверхности - верхнюю и боковую.
Заявленная совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения обеспечивает технический результат, выраженный в повышении КПД и увеличении момента на валу двигателя, а также повышается эффективность управления наддувом турбины. Кроме того, она позволяет увеличить вращающий момент вала турбины, который необходим для быстрой раскрутки турбины при пуске, а также уменьшить вес и габариты турбины.