книги из ГПНТБ / Неустановившиеся режимы поршневых и газотурбинных двигателей автотракторного типа

Г л а в а П

МЕТОДИКА И АППАРАТУРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ ДВИГАТЕЛЕЙ

4. Методика исследования основных показателей рабочего процесса двигателей на неустановившихся режимах

Исследование поршневых двигателей на неустановившихся режимах затруднено в связи с высокой скоростью физико-хими­ ческих процессов, протекающих в полости цилиндра, изменением параметров рабочего процесса не только в течение каждого цикла, но и от цикла к циклу. Для газотурбинных двигателей неустановившиеся режимы сопровождаются резкими колебаниями тем­ ператур и давлений по всему воздушно-газовому тракту. Все это предъявляет высокие требования к совершенствованию аппарата исследований, в состав которого входят методика и применяемая измерительная и регистрирующая аппаратура.

Сложность физических явлений, отсутствие необходимых ис­ ходных данных и методов расчета неустановившихся режимов предопределили положенный в основу методики исследований как поршневых, так и газотурбинных двигателей экспериментальный сравнительный метод. Экспериментальные исследования выпол­ нялись на установках, оборудованных аппаратурой для исследо­ вания рабочего процесса двигателей как на установившихся ре­ жимах, так и на режимах разгона.

Анализ режимов разгона автомобильных двигателей показал, что в большинстве случаев разгоны сопровождаются изменением положения органа, регулирующего подачу смеси или топлива. Для карбюраторного двигателя таким органом является дроссельная заслонка, для ГТД в общем случае — проходное сечение топлив­ ного крана.

В тракторных дизелях при выполнении сельскохозяй­ ственных операций характерным режимом является разгон при полной подаче топлива, когда рейка топливного насоса полностью выдвинута. Изменение положения регулирующего органа при разгоне в эксплуатационных условиях имеет весьма неопределен­ ный характер и зависит от целого ряда факторов, среди которых значительное место занимают субъективные. Поэтому в целях ис­ ключения некоторых из них (и прежде всего субъективных) и вы­ явления закономерностей изменения параметров двигателя при разгоне введены некоторые допущения:

21

1) разгон изменением положения органа, регулирующего по­ дачу смеси или топлива, начинается при малых открытиях его (что в большинстве случаев соответствует действительности);

2)изменение положения органа, регулирующего подачу смеси или топлива, у карбюраторных и газотурбинных двигателей осу­ ществляется с различными постоянными скоростями (равномерно);

3)так как перемещение рейки топливного насоса тракторного дизеля происходит почти мгновенно, то разгон двигателя осуще­ ствляется при положении рейки топливного насоса, соответствую­ щем полной подаче топлива.

Хотя указанные допущения и не являются общими для всех

случаев разгона, в реальных условиях эксплуатации они наиболее вероятны.

Исходя из этого принят следующий порядок испытаний дви­ гателей на режимах разгона.

1. Перед началом разгонных испытаний, а также после них производится прогрев, проверка и тарировка измерительной и ре­ гистрирующей аппаратуры.

2.Двигатель после запуска прогревается до нормального теп­ лового состояния.

3.Устанавливается исходный режим, соответствующий авто­ мобильному или тракторному варианту.

4.На исходном режиме производится запись всех регистри­ руемых параметров. Полученные результаты при обработке сравни­ ваются с данными нагрузочной характеристики и являются кон­ трольными.

5.При неизменном положении органов управления тормоз­ ным устройством двигатель разгоняется путем изменения поло­ жения органа, регулирующего подачу смеси или топлива. При этом начало разгона определяется началом движения регулирую­

щего органа, а конец — стабилизацией оборотов вала двигателя.

6.Через 3—5 мин после завершения разгона, не меняя поло­ жения регулирующих органов, проводятся измерения всех реги­ стрируемых параметров с той же целью, что и на исходном режиме.

7.Для обеспечения достоверности получаемых данных каж­ дый разгон повторяется не менее двух раз.

Все регистрируемые параметры записываются одновременно на пленки нескольких осциллографов. Для обеспечения синхрон­ ности записей, увязки моментов начала и конца разгона разра­ ботаны специальные устройства, описание которых приводится ниже.

5.Экспериментальные установки для исследования неустановившихся режимов автотракторных двигателей

Экспериментальные установки выполнены так, чтобы макси­ мально приблизить условия эксперимента к условиям эксплуа­ тации. Ввиду значительных различий в протекании рабочего про­

22

цесса и в характере изменения параметров карбюраторных, дизель­ ных и газотурбинных двигателей экспериментальные установки для их испытаний будем рассматривать отдельно.

Карбюраторные двигатели. В качестве карбюраторного для ис­ пытаний был принят четырехтактный четырехцилиндровый дви­ гатель М-21, установленный на стенде в комплекте с вентиля­ тором, масляным радиатором, генератором, сцеплением и короб­ кой передач. Глушитель был заменен выпускной трубой (длиной около 5 м), воздушный фильтр — ресивером для сглаживания пульсаций воздуха на впуске. Двигатель нагружался электробалансирной машиной постоянного тока типа МПБ-24,5/22, в ка­ честве возбудителя использовался электромашинный усилитель типа АГ-3.

Для исследования двигателя на установившихся режимах применялись следующие приборы и устройства: весовое устрой­ ство для измерения крутящего момента; весы для измерения рас­ хода топлива; часы «Пинча» для измерения расхода воздуха; стро­ боскоп для измерения частоты вращения коленчатого вала; ди­ станционные термометры для контроля температуры воды и масла; дистанционный манометр для измерения давления масла; термо­ метр для измерения температуры окружающего воздуха; баро­

выпуске; электронный потенциометр типа ЭПП-09М1 для записи температур засасываемой смеси, головки блока с внутренней и на­ ружной стороны, гильзы цилиндра двигателя в верхнем и нижнем поясе, входящей и выходящей воды, выхлопных газов каждого из четырех цилиндров и общей температуры выхлопных газов. Индикаторные диаграммы второго и четвертого цилиндров запи­ сывались на пленку осциллографа МПО-2. Там же записывались диаграмма газообмена четвертого цилиндра, отметка в. м. т., момент подачи искры и диаграммы сжатия-расширения без вос­ пламенения рабочей смеси.

Дизельные двигатели. В качестве дизеля для исследований был принят быстроходный четырехтактный шестицилиндровый двига­ тель ЯМЗ-236 с непосредственным впрыском топлива и автомати­ ческой муфтой опережения впрыска. Двигатель был установлен на стенде в комплекте с вентилятором, топливными фильтрами и масляным радиатором. Двигатель с помощью силового звена соединялся с валом электробалансирной машины постоянного тока мощностью 165 кВт Харьковского электромеханического завода. Управление и контроль работы дизеля осуществлялись с авто­ номного пульта, оснащенного приборами для дистанционного измерения температуры воды и масла, давления масла в маги­ страли, числа оборотов коленчатого вала дизеля, а также электри­ ческими приборами и устройствами для включения осциллогра­ фов и регулирования процесса работы электробалансирной ма­ шины,

23

Перед испытаниями предварительно была произведена обкатка двигателя в течение 80 ч работы по специальной программе.

Для исследований установившихся режимов установка была оснащена следующим оборудованием и аппаратурой: весами типа ВНШ для замера расхода топлива; ртутным термометром для из­ мерения температуры всасывающего воздуха и впускного клапана; диафрагмой и пьезометром для измерения расхода воздуха; пьезо­ метрами для замера среднего давления отработавших газов в кол­ лекторе и среднего значения разрежения воздуха в зоне впуск­ ного клапана; термометром и барометром для замера температуры и давления окружающего воздуха. На пленку осциллографа SO-2 записывались индикаторные диаграммы четвертого цилиндра, диа­ граммы насосных ходов, давление в топливопроводе перед фор­ сункой, вибрации двигателя, пульсации во всасывающем коллек­ торе, подъем иглы форсунки и отметка в. м. т.

Газотурбинные двигатели. В качестве газотурбинных двига­ телей были выбраны одновальный и двухвальный ГТД. Выбор одновального двигателя основан на том, что его можно рассматри­ вать как составную часть ГТД более сложных схем (например, как турбокомпрессор в двухвальных двигателях). Такое качество двухвальных двигателей, как приемистость, определяется глав­ ным образом временем разгона турбокомпрессора. Кроме того, некоторые процессы на установившихся режимах описываются одинаковыми уравнениями как у двухвальных, так и у одновальных двигателей. В последнее время одновальные ГТД находят применение и как самостоятельные силовые установки с соответ­ ствующей трансмиссией. Компания «Интернейшл Харвестер» (США) применила на своем сельскохозяйственном тракторе одно­ вальный ГТД «Соляр Т-62Т» мощностью 80 л. с., весом 41 кг. Хорошие тяговые качества обеспечены применением гидрообъем­ ной передачи. После испытаний фирма сделала следующие вы­ воды: одновальный ГТД пригоден для наземного транспорта и бу­ дет давать вполне приемлемые характеристики при соединении" с соответствующей гидротрансмиссией; стоимость одновального ГТД ниже, чем сложного двухвального. Находит также дальней­ шее развитие идея использования на тракторах и тяжелых маши­ нах одновальных ГТД в сочетании с электротрансмиссией.

Экспериментальная установка, на которой выполнялась ра­ бота, состоит из стенда с газотурбинным двигателем, тормоза, пульта управления и контрольно-измерительной и регистрирую­ щей аппаратуры. В стенд кроме самого газотурбинного двигателя входит редуктор и системы, обеспечивающие запуск, смазку, питание и регулирование двигателя. Основные показатели одно­ вального ГТД: эффективная мощность 100 л. с.; номинальная частота вращения 33 500 об/мин; частота вращения выходного вала 1400 об/мин; секундный расход воздуха 1,5 кг/с; степень повышения давления 2,8; температура газов перед турбиной

850° С.

?4

Исследование вопросов соплового регулирования осуществля­ лось путем поворота всех сопловых лопаток. Это достигалось соответствующим фрезерованием верхней и нижней полочек лопа­ ток. Для сохранения величины зазора между сопловым аппаратом и колесом турбины в местах крепления лопаток к фланцу камеры сгорания добавлялись прокладки.

Для исследований ГТД в режимах разгона в некоторые системы были внесены изменения и дополнения, которые не изменили характеристики двигателя.

Пульт управления экспериментальной установкой включал приборы, контролирующие эксплуатационные параметры: указа­ тели чисел оборотов турбины и тормоза, температуры газов за турбиной, температуры масла на входе и выходе из двигателя, давления масла и топлива; приборы систем запуска; органы управ­ ления установкой и контрольно-измерительными приборами.

Для исследований рабочего процесса ГТД были выбраны сле­ дующие сечения газовоздушного тракта: на входе в центробежный компрессор, за компрессором, перед сопловым аппаратом, перед колесом турбины и на выходе из турбины. В каждом сечении уста­ навливалось по три термопары, три приемника полного и один статического давления. Кроме того, с помощью специального устройства, описание которого приведено ниже, замерялась тем­ пература рабочих лопаток турбины.

Для исследования установившихся режимов установка была оборудована следующими устройствами и аппаратурой: электрон­ ным потенциометром ЭПП-09М2 для регистрации всех температур, пьезометрами и манометрами для регистрации давлений и разре­ жений, весовым устройством для замера расхода топлива и др.

Выбор двухвального двигателя обоснован тем, что по своим характеристикам он вполне соответствует транспортным машинам даже с механической трансмиссией.

Установка для исследований двухвального газотурбинного двигателя включает в основном те же устройства, что и установка с одновальным ГТД. Двухвальный ГТД имеет комбинированный одноконтурный одновальный компрессор, расположенный в пе­ редней части двигателя. Воздух входит во входной направляющий аппарат компрессора, проходит семь ступеней осевого компрес­ сора и восьмую центробежную ступень и поступает в воздухо­ сборную улитку. Из последней по двум горизонтальным трубам, идущим вдоль двигателя, воздух подается в камеру сгорания, вынесенную за турбины. Здесь воздушный поток меняет направ­ ление на 180°. В камеру сгорания через форсунку подается топ­ ливо. Газы из камеры направляются на две турбины, расположен­ ные соосно. Первая по ходу газов турбина, расположенная на внутреннем валу, осевая, одноступенчатая, она является приво­ дом компрессора. Вторая турбина, расположенная на наружном валу, двухступенчатая, осевая, связана шестернями с выводным валом передачи мощности через редуктор.

25

Газы, пройдя сопловые и рабочие лопатки, поступают в газосборник, где направляющие дефлекторы выхлопных патрубков организуют движение потока газов и направляют его через вы­ хлопную трубу в атмосферу.

В корпусе редуктора двигателя размещены приводы к агрега­ там, обеспечивающим работу и регулирование двигателя. Редук­ тор одноступенчатый с цилиндрическими шестернями.

Основные данные двигателя: номинальная частота вращения турбокомпрессора, ротора тяговой турбины и выходного вала ре­ дуктора соответственно 45 000, 24 000 и 5905 об/мин; степень повышения давления на номинальном режиме 6; температура газа перед турбиной 850—900° С; расход воздуха на номинальном ре­ жиме 2,1 кг/с; мощность двигателя 220 л. с.

Измерение показателей двухвального ГТД производилось в тех же сечениях и по той же методике, что и одновального ГТД. Дополнительные замеры осуществлены между последней осевой и центробежной ступенью компрессора и в сечениях между сопло­ вым аппаратом и рабочими колесами тяговой турбины.

Все установки с карбюраторным, дизельным и газотурбинным двигателями были также оснащены рядом оригинальных приборов и устройств, позволяющих регистрировать мгновенные значения различных параметров и задавать различные режимы при разгон­ ных испытаниях. Описание этих приборов и устройств приведено ниже.

6. Измерительные устройства

для исследования неустановившихся режимов

Одной из сложных и трудоемких задач исследования неуста­ новившихся режимов двигателей является выбор и создание из­ мерительных и вспомогательных устройств, работающих надежно на переменных режимах с достаточной степенью точности.

Измерение крутящего момента. Для определения крутящего момента карбюраторного двигателя применялся торсионный ин­ дуктивный динамометр, работа которого основана на изменении под воздействием крутящего момента индуктивного сопротивле­ ния чувствительного элемента преобразователя — катушки, на­ мотанной на железный сердечник. Электрическая схема динамо­ метра показана на рис. 6. Питание схемы осуществлялось пере­ менным током частотой 5000—8000 Гц от генератора звуковой частоты ЗГ-10. При отсутствии крутящего момента на валу пре­ образователя, равных зазорах между концами П-образных сердеч­ ников и якорем и одинаковых индуктивностях четырех катушек Ы —L4 величина переменного тока в верхней и нижней ветвях левой части измерительной цепи будет также одинакова. Следо­ вательно, создаваемое первичной обмоткой дифференциального трансформатора Тр суммарное магнитное поле будет равно нулю, и во вторичной обмотке его э. д. с. не будет индуктироваться.

26

При передаче крутящего момента изменяются зазоры, что при­ водит к разбалансу схемы и образованию переменного магнитного поля первичной обмоткой трансформатора Тр. Во вторичной об­ мотке возникает э. д. с., и по правой части измерительной цепи потечет переменный ток, который после выпрямления на мостике В и фильтрации (фильтр состоит из дросселя Др и двух конденса­ торов С1) регистрируется на шлейфе осциллографа Шл. Величина этого тока при определенных параметрах схемы будет прямо про­ порциональна величине воздушного зазора и, следовательно,

мался с помощью ртутных токосъемников. При этом погрешно­ сти измерения крутящего момента в режимах разгона в обоих

топлива, воды и воздуха положен один и тот же принцип — прин­ цип гидрометрической вертушки. Гидрометрическая вертушка представляет собой вращающуюся в'подшипниках ось с выполнен­ ными по определенному закону лопастями, установленную в дви­ жущийся поток. При этом число оборотов вертушки будет пред­ ставлять собой некоторую функцию скорости движения, а следо­ вательно, и расхода. Для обеспечения точности измерений и облег­ чения обработки экспериментальных данных необходимо, чтобы зависимость числа оборотов вертушки от скорости среды была прямолинейной. Для этой цели была произведена доводка датчи­ ков, результаты которой позволили сделать следующие выводы: 1) для получения достаточной точности измерений число лопастей целесообразно принимать не менее четырех; 2) наивыгоднейшие углы наклона для четырехлопастных вертушек составляют около 45°; 3) диаметр канала вертушки не должен отличаться от диа­ метра входного и выходного патрубков; 4) в непосредственной близости от вертушки не должно быть конструктивных элементов,

27

приводящих к нарушению потока. Основываясь на этих выводах, а также учитывая опыт создания аналогичных преобразователей в НАМИ, были изготовлены преобразователи для измерения рас­ ходов топлива, воды и воздуха (рис. 7).

Преобразователь состоит из латунного или алюминиевого кор­ пуса 13 с выходным патрубком и крышкой 7 с входным патрубком. Снаружи к корпусу с одной стороны крепится фотодиод 4, а с дру­ гой— тубус 11 с линзами и светильником. Внутри корпуса, в стеклянном цилиндре у, уплот­ ненным с торцов кольцами 2 я 8,

новлена на оси 5, вращающейся в агатовых подшипниках 1. На ось вертушки приклеен также флажок 10. При движении среды через корпус преобразователя вертушка вращается с числом оборотов, пропорциональным расходу топлива. За каждый оборот вертушки ее флажок перекрывает луч света, проходящий от све­ тильника через окна в корпусе на фотодиод, в результате чего омическое сопротивление последнего увеличивается. Изменение сопротивления фотодиода фиксируется в виде импульса на пленке осциллографа. При определении расходов с помощью гидрометри­ ческой вертушки максимальные погрешности измеряемых величин не превышали 4%.

При испытаниях д и з е л я мгновенный расход топлива за­ мерялся прибором, в основу которого положен принцип изменения фотосопротивления, включенного в качестве одной ветви в схему мостика, в зависимости от его поверхности освещения (рис. 8).

Прибор имеет тонкостенный стеклянный мерный цилиндр 5, плотно вставленный в другой непрозрачный корпус 4, имеющий два продольных противоположных расположенных паза — свето­ провода. На корпус навертываются крышки 1 и 7 с проклад-

28

нами 2 и 6. К стенкам корпуса с одной стороны крепится алюминие­ вый кожух 9 с патронами для ламп 8, с другой стороны — спе­ циально изготовленное высокоомное фотосопротивление 3. Перед началом разгонов мерный цилиндр заполняется топливом до ис­ ходного уровня, соответствующего контрольной черте. В момент начала разгона топливный бак перекрывается и топливо поступает из мерного цилиндра. По мере понижения уровня топлива осве­ щенность фотосопротивления значительно возрастает, нарушается

Расходомер устанавливается в трубопроводе высокого давле­ ния перед форсунками двигателя. Топливо, поступающее от топ­ ливного насоса, проходит через штуцер 6 во входной канал втул­ ки 5. Втулка состоит из двух половин с кольцевыми углублениями под ротор 4. В ротор, сделанный из немагнитного материала, впрес­ сован металлический штифт 3. Под действием потока топлива ро­ тор вращается. В момент прохождения штифта 3 около стержне­ вого магнита 2, в катушке индуктивности 1 возникает э. д. с.

Большое значение при изготовлении такого расходомера имеет правильный выбор проходного сечения. Ниже приводится расчет, на основе которого можно определить диаметр проходного канала такого типа преобразователей.

Теоретическая скорость выхода топлива из отверстия расходо­ мера в м/с определяется по формуле

т = У Щ Е ,

где Ар = р 1— р г — перепад давлений в кгс/м2; р х и р г — дав­ ление топлива перед расходомером и после него; у — удельный вес топлива в кгс/м3; g — ускорение силы тяжести в м/с2.

Расход топлива (в кг/с) через расходомер, имеющий площадь проходного сечения F (в м2), подсчитывается по формуле

GT= wyFp = F[i y 2 g Ару,

29