Установка турбокомпрессора с изменяемой геометрией

Тип турбокомпрессоров, характеризующийся возможностью изменения сечения на входе колеса турбины с целью оптимизации мощности турбины для заданной нагрузки.

Необходимость изменения сечения обусловлена тем, что оптимальное сечение при низких оборотах существенно отличается от оптимального сечения при высоких оборотах. Если сечение классического турбокомпрессора слишком большое, то на низких оборотах эффективность турбокомпрессора будет низкой. Если сечение слишком маленькое, то эффективность будет низкой на высоких оборотах. Обычно работа на малых нагрузках и, особенно, на переходных режимах сопровождается ухудшением распыливания топлива, падением давления наддува и нарушением воздухоснабжения. Турбокомпрессор с изменяемой геометрией (ТИГ) позволил избежать компромисса предыдущих вариантов, когда в угоду малых нагрузок приходилось идти на снижение КПД на полных нагрузках.

а)

б)

Рис. 7.2 -Схема работы тур-

бокомпрессора с изменяемой

геометрией

Рис. 7.1 -Турбокомпрессор с

изменяемой геометрией

В 2007 году компания «MAN Diesel & Turbo SE» в целях повышения эффективности ГТК на всём диапазоне рабочих режимов, включая и режимы малых нагрузок, разработала ГТК с изменяющимся сопловым аппаратом «Variable Turbine Area» (VTA) или «Variable Geometry Turbochages» (VGT), так они называются обычно в англоязычных странах.

Первые испытания ГТК с механизмом VTA были проведены на судне «Stena President», где два одинаковых двигателя марки 6S46VC (7860kW), но один двигатель использовал ГТК марки TCA 55 c регулируемым соплом, а другой с фиксированным соплом. В результате испытаний выяснилось, что двигатель использующий ГТК с механизмом VTA за год эксплуатации сэкономил 150 тонн мазута. Снижение удельного эффективного расхода топлива составило 4.4 г/ кВт ч или более, чем на 2.5 .

Рис. 7.3 - RPM

Преимущества VTA:

- снижение удельного расхода топлива до 4 – 4.5 г/кВт ч;

- снижение выбросов сажи, NOₓ и окиси углерода;

- возможность установки на ГТК ряда ТСА (осевые) и TCR (радиальные) фирмы «MAN Diesel & Turbo SE»;

- короткий срок окупаемости.

За счёт возможности изменения сечения с помощью VTA, улучшается «отклик» двигателя на резкие перепады нагрузок, повышается мощность и крутящий момент на режимах малых нагрузок, как показано на графике выше.

VTA чаще встречается на дизельных двигателях. Это связано с тем, что VTA более надёжны при относительно низких рабочих температурах, характерных для дизельных двигателей.

В турбинах с VTA в сопловом кольце установлены направляющие лопатки, которые могут поворачиваться вокруг своей оси с помощью рычагов, приводимых в действие двумя позиционными электродвигателями, гидравлического или пневматического привода. С переходом двигателя на пониженные нагрузки лопатки разворачиваются в сторону уменьшения шага, сопротивление проходного сечения между ними увеличивается, и это влечёт за собой рост сопротивления выходу газов из выхлопного коллектора. Давление и температура газов в нём повышаются, соответственно растёт энергия поступающих на турбину газов, что, в свою очередь, влечёт за собой рост производительности компрессора и заряда воздуха в рабочих цилиндрах. Увеличению заряда в известной степени способствует и снижение потерь воздуха на продувку цилиндров, обусловливаемое увеличением сопротивления выходу воздуха из цилиндров (рост давлений в выхлопном коллекторе).

два электрических

сопловое двигателя

кольцо

Рис. 7.4 - Турбокомпрессор с изменяемой геометрией, управляемый электродвигателями

Рис. 7.5 - Газотурбокомпрессор ТСА – 33 с механизмом VTA, вид спереди

Недостатки VTA:

- сложнее, чем обычный газотурбокомпрессор, из – за этого требует более сложных систем управления;

- небольшие подвижные части и контроллеры с датчиками подвергаются воздействию экстремальных температур, поэтому для их изготовления требуются жаропрочные материалы и стали, что также влияет на цену.

Необходимый газотурбонагнетатель можно выбрать из производимых фирмой «MAN Diesel & Turbo SE» из серии ТСА, с осевым подводом газов к турбине или из серии TCR, с радиальным подводом газов к турбине.

Ряд ТСА: 22;33;44;55;66;77;88 и TCR: 12;14;16;18;20;22

Разработками турбокомпрессоров с VTA занимаются также фирмы «Катерпиллар МАК», «Вяртсиля» и др. На снимках ниже кольцевой сопловой аппарат с регулируемыми лопатками и турбокомпрессор с VTA «Volvo FM».

Рис. 7.6 - Рис. 7.7 - Турбокомпрессор с VTA

Кольцевой сопловой аппарат «Volvo FM»

ТК с VTA

Дата добавления: 2015-09-02