КОРПУС ТУРБИНЫ ТУРБОНАГНЕТАТЕЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Предлагаемая полезная модель относится к области двигателестроения, а именно, к двигателям внутреннего сгорания с нагнетателями, приводимыми в действие по меньшей мере некоторую часть времени энергией выхлопа, и в частности - к конструктивным элементам радиальных турбин нагнетателей, работающих с потоком выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, предпочтительно с воспламенением от сжатия, извне внутрь.
Уже известен корпус турбины турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания, содержащий впускной и выпускной патрубки, фланцы, спиралевидную часть, включающую полость рабочего колеса турбины и сообщенную с ней спиралевидную полость, снабженную одной перегородкой, выполненной в виде ребра, установленного перпендикулярно оси турбины с возможностью разделения полости на два смежных газонаправляющих канала с одинаковым поперечным сечением в осевом направлении. Площадь поперечного сечения каждого из газонаправляющих каналов выполнена с уменьшением по направлению потока выхлопных газов в окружном направлении спиралевидной полости корпуса, а перегородка выполнена с уменьшением высоты в окружном направлении спиральной полости и заканчивается наклонной кромкой. Впускной патрубок выполнен с одинаковым поперечным сечением по длине его т.е. не конфузорным. Протяженность ребра перегородки в окружном направлении спиральной полости выполнена равной 180-300 градусов, поэтому участок спиральной полости, размещенный за кромкой перегородки, выполнен неразделенным.
Каждый из каналов ограничен поверхностью спиралевидной полости и боковой поверхностью ребра перегородки. Оба газонаправляющих канала в спиралевидной части корпуса сообщены между собой своими соплами в зоне входных кромок рабочего колеса турбины и в зоне размещения наклонной кромки перегородки, причем площадь поперечного сечения каждого из газонаправляющих каналов выполнена с уменьшением по направлению потока выхлопных газов в окружном направлении спиралевидной полости корпуса. Боковая поверхность каждого из смежных газонаправляющих каналов спиралевидной части корпуса в Окружном направлении ограничена прямолинейным участком, размещенным со стороны входных кромок рабочего колеса турбины, и плавно с ним сопряженным участком, выполненным по радиусу, размещенным в периферийной зоне каждого из газонаправляющих каналов. Впускной и выпускной патрубки, спиралевидная часть, фланцы и перегородка выполнены в виде единой детали. (Заявка Великобритании №1507596, опубл. 1978 г., F02В 37/00, F01D 25/24, F01D 1/08).
Выполнение известного корпуса с указанными конструктивными особенностями позволяет в какой-то степени повысить мощность двигателя внутреннего сгорания за счет использования турбонаддува, однако не достигается повышения эффективности турбины при изменяющихся нагрузках двигателя, а токсичность выхлопных газов значительно возрастает, особенно по содержанию окислов азота.
Задача предлагаемого технического решения состоит в снижении токсичности выпускных газов двигателя внутреннего сгорания, при изменяющихся нагрузках двигателя, прежде всего по содержанию в них окислов азота, путем повышения эффективности работы турбины турбонагнетателя, достигаемой за счет увеличения и стабильности скорости потока выхлопных газов, выходящих из оптимизированной по конструктивным размерам сопловой части спиралевидного корпуса турбины перед ее рабочим колесом.
Для решения поставленной задачи с достижением заявленного технического результата в известном корпусе турбины турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания, содержащем впускной и выпускной патрубоки фланцы, спиралевидную часть, включающую полость рабочего колеса турбины и сообщенную с ней спиралевидную полость, снабженную по меньшей мере одной перегородкой, выполненной в виде ребра, установленного перпендикулярно оси турбины с возможностью разделения полости в осевом направлении на смежные газонаправляющие каналы, каждый из которых ограничен поверхностью спиралевидной полости и боковой поверхностью ребра соответствующей перегородки, при этом все газонаправляющие каналы в спиралевидной части корпуса сообщены между собой сопловой частью в зоне входных кромок рабочего колеса турбины, боковая поверхность каждого из смежных газонаправляющих каналов спиралевидной части корпуса в окружном направлении ограничена прямолинейным участком, размещенным со стороны входных кромок рабочего колеса турбины, и плавно с ним сопряженным участком, выполненным по радиусу, размещенным в периферийной зоне каждого канала, площадь поперечного сечения каждого из газонаправляющих каналов выполнена с уменьшением по направлению потока выхлопных газов в окружном направлении спиралевидной части корпуса, а впускной и выпускной патрубки с фланцами, спиралевидная часть, и перегородка выполнены в виде единой детали, согласно предлагаемой полезной модели, смежные газонаправляющие каналы выполнены с разной по величине площадью поперечного сечения в осевом направлении /при сечении одной радиальной плоскостью, проходящей вдоль оси рабочего колеса турбины/, а высота ребра перегородки и зазор «а» между входными кромками рабочего колеса турбины и противолежащим торцем ребра перегородки выполнены постоянными в окружном направлении спиралевидной полости, при этом угол между прямолинейным участком боковой поверхности газонаправляющего канала в его сопловой части и ограничивающей канал поверхностью ребра перегородки выполнен большим для газонаправляющего канала с большим поперечным сечением по сравнению со смежным каналом с меньшим поперечным сечением. Так, для двигателей внутреннего сгорания с суммарным рабочим объемом всех цилиндров, равным 6-7
литров, прямолинейный участок боковой поверхности газонаправляющего канала с большим поперечным сечением, размещен под углом, предпочтительно, равным 51 градусов относительно боковой поверхности ребра перегородки, ограничивающей эту полость, а прямолинейный участок боковой поверхности газонаправляющего канала с меньшим поперечным сечением размещен под углом, предпочтительно, равным 33-37 градусов относительно боковой поверхности ребра перегородки своего канала, причем величина углов наклона прямолинейных участков сопловой части каждого канала выполнена постоянной в окружном направлении спиралевидной полости корпуса, а точка пересечения прямолинейных участков боковых поверхностей обоих смежных каналов расположена на средней линии ребра перегородки. Впускной патрубок может быть выполнен конфузорным.
Соотношение площадей поперечного сечения большего газонаправляющего канала к меньшему в зоне сопряжения впускного патрубка и спиралевидной части корпуса может быть выполнено равным, предпочтительно, 1,33-1,50 для двигателей внутреннего сгорания с суммарным рабочим объемом всех цилиндров, равным 6-7 литров.
Величина зазора между входными кромками рабочего колеса турбины и противолежащим торцем ребра перегородки в окружном направлении спиралевидной полости корпуса может быть выполнена, предпочтительно, равной 0,12-0,13 от величины радиуса рабочего колеса турбины.
Протяженность ребра перегородки в окружном направлении может быть выполнена, предпочтительно, равной 330-340 градусов.
Радиус поверхности периферийной зоны каждого из смежных газонаправляющих каналов может быть выполнен постоянным в окружном направлении спиралевидной полости корпуса и, предпочтительно, равным 38 см., а центр этого радиуса для каждого из смежных газонаправляющих каналов выполнен на стороне размещения этого канала относительно ребра перегородки, на удалении от средней линии ребра перегородки, предпочтительно, равном 0,8 см.
Корпус турбины турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания может быть выполнен из чугуна марки ВЧ 40.
Кроме того предложен корпус турбины турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания, содержащий впускной и выпускной патрубки с фланцами, спиралевидную часть, включающую полость рабочего колеса турбины и сообщенную с ней спиралевидную полость, снабженную по меньшей мере одной перегородкой, выполненной в виде ребра, установленного перпендикулярно оси турбины с возможностью разделения полости в осевом направлении на смежные газонаправляющие каналы, каждый из которых ограничен поверхностью спиралевидной полости и боковой поверхностью ребра соответствующей перегородки, при этом все газонаправляющие каналы сообщены между собой сопловой частью в зоне входных кромок рабочего колеса турбины, боковая поверхность каждого из смежных газонаправляющих каналов в окружном направлении ограничена прямолинейным участком, размещенным со стороны входных кромок рабочего колеса турбины с образованием сопловой части, и плавно с ним сопряженным по радиусу участком, размещенным в периферийной
зоне каждого канала, площадь поперечного сечения каждого из газонаправляющих каналов выполнена с уменьшением по направлению потока выхлопных газов в окружном направлении спиралевидной полости корпуса, а впускной и выпускной патрубки с фланцами, спиралевидная часть и перегородка выполнены в виде единой детали, в котором согласно предлагаемому техническому решению, корпус турбины в зоне выпускного патрубка снабжен приливом, содержащим внутренний канал, сообщенный с полостью выпускного патрубка за рабочим колесом турбины по направлению потока выхлопных газов, а впускной патрубок снабжен отверстием с осью, ориентированной параллельно оси рабочего колеса турбины, выполненным с возможностью размещения в нем перепускного клапана и возможностью его сообщения с одной стороны с одним из газонаправляющих каналов спиралевидной полости корпуса, и с другой стороны - сообщения с полостью внутри выпускного патрубка турбины, размещенной за рабочим колесом турбины по направлению потока посредством внутреннего канала в приливе выпускного патрубка, и/или возможностью сообщения с впускным коллектором двигателя внутреннего сгорания, при этом смежные газонаправляющие каналы в осевом направлении выполнены с разной по величине площадью поперечного сечения, а высота ребра перегородки и зазор между входными кромками рабочего колеса турбины и противолежащим торцем ребра перегородки выполнены постоянными в окружном направлении, угол между прямолинейным участком боковой поверхности газонаправляющего канала в его сопловой части и ограничивающей канал поверхностью ребра перегородки, выполнен большим для газонаправляющего канала с большим поперечным сечением по сравнению со смежным каналом, причем величина углов наклона прямолинейных участков сопловой части выполнена постоянной в окружном направлении спиралевидной части корпуса, а точка пересечения прямолинейных участков боковых поверхностей обоих смежных каналов расположена на средней линии ребра перегородки.
Так, для двигателей внутреннего сгорания с суммарным рабочим объемом всех цилиндров, равным 6-7 литров, прямолинейный участок боковой поверхности газонаправляющего канала с большим поперечным сечением, размещен под углом, предпочтительно, равным 51 градусов относительно боковой поверхности ребра перегородки, ограничивающей эту полость, а прямолинейный участок боковой поверхности газонаправляющего канала с меньшим поперечным сечением размещен под углом, предпочтительно, равным 33-37 градусов относительно боковой поверхности ребра перегородки своего канала.
Соотношение площадей поперечного сечения большего газонаправляющего канала к меньшему в зоне сопряжения впускного патрубка и спиралевидной части корпуса может быть выполнено равным, предпочтительно, 1,33-1,50 для двигателей внутреннего сгорания с суммарным рабочим объемом всех цилиндров, равным 6-7 литров.
Величина зазора между входными кромками рабочего колеса турбины и противолежащим торцем ребра перегородки в окружном направлении спиралевидной
полости корпуса может быть выполнена, предпочтительно, равной 0,12-0,13 от величины радиуса рабочего колеса турбины.
Протяженность ребра перегородки в окружном направлении может быть выполнена, предпочтительно, равной 330-340 градусов.
Радиус поверхности периферийной зоны каждого из смежных газонаправляющих каналов может быть выполнен постоянным в окружном направлении спиралевидной полости корпуса и, предпочтительно, равным 38 см., а центр этого радиуса для каждого из смежных газонаправляющих каналов выполнен на стороне размещения этого канала относительно ребра перегородки, на удалении от средней линии ребра перегородки, предпочтительно, равном 0,8 см.
Корпус турбины турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания может быть выполнен из чугуна марки ВЧ 40.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется графически.
На фиг.1 показан продольный разрез предлагаемого корпуса турбины турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания с установленным в нем рабочим колесом турбины.
На фиг.2 показан поперечное сечение предлагаемого корпуса турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания через среднюю линию ребра перегородки.
На фиг.3 показан поперечное сечение предлагаемого корпуса турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания через больший газонаправляющий канал в окружном направлении спиральной полости.
На фиг.4 показана схема построения спиралевидной полости корпуса турбины.
На фиг.5 показан общий вид предлагаемого корпуса турбины со стороны места размещения перепускного клапана.
На фиг.6 показан поперечное сечение спиралевидной части корпуса турбины в зоне размещения отверстия во впускном патрубке и канала в выпускном патрубке.
На фиг.7 показано поперечное сечение выпускного патрубка корпуса турбины в зоне канала, сообщенного с отверстием во впускном патрубке.
На фиг.8 показан продольный разрез предлагаемого корпуса турбины турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания, содержащего перепускные средства во впускном и выпускном патрубках.
На фиг.9 показан вид на впускной патрубок с его торца.
Предлагаемый корпус турбины турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия содержит спиралевидную часть 1, включающую полость 2 рабочего колеса 3 турбины и сообщенную с ней спиралевидную полость 4, снабженную перегородкой 5, выполненной в виде ребра, установленного перпендикулярно оси 6 рабочего колеса турбины с возможностью разделения спиралевидной полости 4 в осевом направлении на два смежных газонаправляющих канала 7 и 8, каждый из которых ограничен поверхностью спиралевидной полости 4 и боковой поверхностью 9 или 10 ребра пересмежных
газонаправляющих каналов 7 и 8 спиралевидной части корпуса в окружном направлении ограничена прямолинейным участком 12 и 13 соответственно, размещенным в сопловой части канала со стороны входных кромок 11 рабочего колеса 3 турбины, и плавно с каждым из них сопряженным по радиусу участком 14 и 15 соответственно, размещенным в периферийной зоне каждого канала.
Площадь поперечного сечения каждого из газонаправляющих каналов 7 и 8 выполнена с уменьшением по направлению потока выхлопных газов в окружном направлении спиралевидной полости 4 корпуса.
Впускной патрубок 16, выполненный конфузорным, своим впускным фланцем 17 сообщен с выпускным коллектором двигателя внутреннего сгорания /не показан/.Впускной патрубок 16 снабжен каналом 18 предназначенным для установки перепускного клапана/не показан/ и сообщенным с одним из газонаправляющих каналов 7 и 8. Ось 19 канала 18 ориентирована параллельно оси 6 рабочего колеса 3 турбины.
Высота ребра перегородки 5 выполнена постоянной в окружном направлении спиралевидной полости 4 корпуса, а протяженность ребра перегородки 5 в окружном направлении спирали -, предпочтительно, равной 330-340 градусов. Смежные газонаправляющие каналы 7 и 8 выполнены с разной по величине площадью поперечного сечения, измеренной в осевом направлении в одной плоскости. Так, для двигателей внутреннего сгорания с суммарным рабочим объемом всех цилиндров, равным 6-7 литров, зазор «а» между входными кромками 11 рабочего колеса 3 турбины и противолежащим торцем ребра перегородки 5 в окружном направлении спирали выполнен постоянным и равным 4, 4 мм.
Прямолинейный участок 12 боковой поверхности газонаправляющего канала 7 с большим поперечным сечением в осевом направлении, размещен под углом, предпочтительно, равным 51 градусов относительно боковой поверхности 9 ребра перегородки 5, ограничивающей эту полость, а прямолинейный участок 13 боковой поверхности газонаправляющего канала 8 с меньшим поперечным сечением размещен под углом, предпочтительно, равным 33-37 градусов относительно боковой поверхности 10 ребра перегородки 5 своего канала 8, причем величина указанных углов выполнена постоянной в окружном направлении спиралевидной полости 4 корпуса, а точка пересечения прямолинейных участков 12 и 13 боковых поверхностей обоих смежных каналов 7 и 8 расположена на средней линии 20 ребра перегородки 5.
Впускной патрубок 16, предпочтительно, снабжен центрально размещенным по всей его длине разделителем 21, выполненным в виде единой детали с впускным патрубком 16. Кроме того спиралевидная часть 1 корпуса, впускной 16 и выпускной 22 патрубки со своими фланцами 17 и 23 соответственно и перегородка 5 также выполнены в виде единой детали. Корпус турбины турбонагнетателя может быть снабжен приливом 24 с внутренним каналом 25, размещенным в зоне выпускного патрубка 22 и сообщенным с полостью 26 внутри этой зоны за рабочим колесом турбины, считая по направлению движения потока выхлопных газов.
Величина зазора «а» между входными кромками 11 рабочего колеса 3 турбины и противолежащим торцем 27 ребра перегородки 5 в окружном направлении спиралевидной части 1 корпуса выполнена постоянной и, предпочтительно, равной 0,12-0,13 от величины радиуса рабочего колеса 3 турбины для двигателей внутреннего сгорания с суммарным рабочим объемом всех цилиндров, равным 6-7 литров.
Соотношение площадей поперечного сечения большего газонаправляющего канала 7 к меньшему 8 в зоне сопряжения впускного патрубка 16 и спиралевидной части 1 корпуса выполнено равным, предпочтительно, 1,33-1,50 для двигателей внутреннего сгорания с суммарным рабочим объемом всех цилиндров, равным 6-7 литров.
Радиус «R» поверхности периферийной зоны каждого из смежных газонаправляющих каналов 7 и 8 выполнен постоянным в окружном направлении спиралевидной полости 4 корпуса и предпочтительно, равным 38 см. для указанных двигателей внутреннего сгорания, а центры 28 и 29 этих радиусов соответственно для каждого из смежных газонаправляющих каналов 7 и 8 выполнены на сторонах размещения каждого канала относительно ребра перегородки 5, на удалении «с» от средней линии 20 ребра перегородки 5, предпочтительно, равном 0,8 см. и на расстоянии «h» от оси рабочего колеса турбины, причем величина этого расстояния выполнена переменной в зависимости от величины угла в окружном направлении спиралевидной полости.
Корпус турбины турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания выполнен из чугуна марки ВЧ 40.
Работа турбонагнетателя осуществляется следующим образом. При запуске двигателя воздушный заряд поступает через впускной коллектор в цилиндры двигателя где смешивается с топливом и сгорает. Выхлопные газы под давлением поступают в выпускной коллектор двигателя, а далее подаются в спиралевидную полость корпуса турбины через впускной патрубок турбонагнетателя, выполненный конфузорным для последующего разгона потока выхлопных газов двигателя. При этом в спиралевидную полость корпуса турбины может поступать как полный поток выхлопных газов, так и часть его при выполнении корпуса турбины с перепускными отверстиями. Оптимизация сопловой части турбины, размещенной перед свободными периферийными частями лопаток турбины, позволяет увеличить скорость потока выхлопных газов при истечении потока выхлопных газов на лопатки рабочего колеса турбины.
Большая часть выхлопных газов после работы внутри турбонагнетателя выбрасывается в атмосферу через выпускной патрубок, а меньшая часть потока выхлопных газов через один из смежных газонаправляющих каналов и через предусмотренные во впускном и выпускном патрубках перепускные каналы, минуя лопатки рабочего колеса турбины, поступает через внутренний канал в приливе корпуса турбины вовнутрь выпускного патрубка турбины, за рабочее колесо. Кроме того отобранные выхлопные газы могут поступать во впускной коллектор двигателя внутреннего сгорания для образования его впускного заряда, обеспечивая минимальную токсичность выхлопных газов по окислам азота.
Увеличение скорости прохождения выхлопных газов в зоне размещения лопаток турбины и протяженности спиралевидной внутренней полости до 330-340 градусов в окружном направлении спиралевидной полости вызывает увеличение скорости вращения ротора турбонагнетателя, а, следовательно, увеличивает плотность топливо-воздушной смеси в цилиндрах двигателя, что в последующем позволяет улучшить процесс сгорания топливо-воздушной смеси и также снизить токсичность выхлопных газов. Большее количество воздуха в топливо-воздушной смеси приводит к снижению температуры сгорания смеси в цилиндрах двигателя и способствует снижению токсичности и в частности снижения выбросов окислов азота в выхлопных газах до уровня 3, 5 г/кВт*час.
Предлагаемое техническое решение является новым и промышленно применимым.
Турбонагнетатель двигателя внутреннего сгорания с предлагаемым корпусом турбины успешно прошел испытания и подготовлен к внедрению. При испытаниях турбонагнетателя с техническими данными прототипа- в выхлопных газах содержание окислов азота досоставило 10 г/кВт*час.
Применение предложенного корпуса турбины турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания позволит снизить токсичность выпускных газов двигателя внутреннего сгорания, при изменяющихся нагрузках двигателя, прежде всего по содержанию в них окислов азота, путем повышения эффективности работы турбины турбонагнетателя, достигаемой за счет увеличения и стабильности скорости потока выхлопных газов, выходящих из оптимизированной по конструктивным размерам сопловой части спиралевидного корпуса турбины перед ее рабочим колесом, причем снижение токсичности выхлопных газов достигается как при использовании рециркуляции выхлопных газов в двигателях внутреннего сгорания, так и без нее, т.е. при использовании обоих вариантов выполнения корпусов турбины: с перепускными отверстиями в впускном патрубке турбины и в выпускном патрубке за рабочим колесом турбины, а также без них.