Development of controlled turbo-electric compressor

Full Text

Сегодня вопрос подачи в цилиндр двигателя топлива в нужный момент и в нужном количестве решен за счет, например, системы Common rail, а дозированная подача воздуха в необходимый момент времени до сих пор является проблемой. Решить данную задачу позволит электронно-управляемый гибридный агрегат наддува. Для решения задачи полезной утилизации избыточной мощности турбокомпрессора многие ведущие мировые производители ТКР пошли по пути гибридизации агрегатов наддува. Понятие Hybrid Turbocharger Technology (HTT) продолжительно и часто обсуждается в литературе, однако, серийно выпускаемого силового агрегата с гибридным турбонагнетателем пока нет. Статистика показывает, что в городе водитель значительную долю времени тратит на остановки, разгоны и торможения и лишь примерно 1/5 всего времени движется равномерно. Таким образом, часть энергии, невостребованная на одних режимах, но необходимая на других, безвозвратно теряется. Это можно в определенной степени исправить при наличии возможности передавать избыточную энергию на постоянный дополнительный потребитель, который бы мог ее аккумулировать с последующей передачей нуждающемуся потребителю. В рамках государственного контракта «Поисковые и экспериментальные исследования по созданию систем наддува для модернизации базовых образцов средне- и высокооборотных дизельных двигателей и создания перспективных дизельных двигателей» (Шифр «Коллекция») НПО «Турботехника» провела работы по проектированию, изготовлению и испытанию регулируемого турбоэлектрокомпрессора с обратимой электрической машиной. Конструктивно турбоэлектрокомпрессор (ТЭК) содержит: · турбину и компрессор, являющиеся лопастными машинами и состоящие из рабочих колёс, жёстко связанных общим валом (ротором), и корпусов; · обратимой электрической машины (далее ОЭМ), ротор которой жёстко посажен на вал ротора турбокомпрессора между опорными подшипниками ротора ТКР, а статор неподвижно закреплён в корпусе подшипников ТКР концентрично относительно ротора; · корпуса подшипников ТКР, служащего для крепления корпусов компрессора и турбины, размещения подшипников ротора ТКР и установки статора ОЭМ, также корпус подшипников имеет контур водяного охлаждения; · блока управления и питания ТЭК в режимах генератора и двигателя. На рисунке 1 показаны внешний вид опытного образца турбоэлектрокомпрессора ТЭК-120 и его 3D-модель в разрезе. Обратимая электрическая машина с основными геометрическими размерами представлена на рисунке 2. Ротор ОЭМ конструктивно представляет собой цилиндрическую втулку с закрепленными на ней четырьмя сегментными магнитами. По внешнему диаметру магнитов имеется бандаж, выполненный из углеволокна (другой вариант: бандаж выполняется из титана). Испытания проведены на безмоторном стенде НПО «Турботехника». Стенд оборудован необходимыми для проведения испытаний системами и средствами измерений в соответствии с ГОСТ Р 53637-2009. а) Фото ТЭК 120 б) 3D-модель ТЭК 120 (в разрезе) Рисунок 1. Турбоэлектрокомпрессор а) Статор ОЭМ б) Ротор ОЭМ Рисунок 2. Обратимая электрическая машина Характеристики ТЭК-120 оценивались на следующих режимах: · при работе ОЭМ в режиме холостого хода в диапазоне окружных скоростей колеса компрессора = 200 - 500 м/с через 50 м/с; · при работе ОЭМ в режиме двигателя в диапазоне начальных окружных скоростей колеса компрессора = 200 - 500 м/с через 50 м/с; · при работе ОЭМ в режиме генератора в диапазоне начальных окружных скоростей колеса компрессора = 250 - 500 м/с через 50 м/с. На рисунке 3 представлена характеристика компрессорной ступени ТЭК 120 при ОЭМ, работающей в режиме двигателя и в режиме холостого хода. Сплошными линиями показан режим холостого хода ОЭМ, пунктиром обозначено смещение линий Пк относительно линий холостого хода при работающей ОЭМ в режиме двигателя. Рисунок 3. Сравнительные характеристики компрессора турбоэлектрокомпрессора ТЭК 120 при работе ОЭМ в режиме холостого хода и режиме двигателя Рисунок 4. График изменения мощности компрессора при работе ОЭМ в режиме двигателя Рисунок 5. Сравнительные характеристики компрессора турбоэлектрокомпрессора ТЭК 120 при работе ОЭМ в режиме холостого хода и режиме генератора Рисунок 6. График изменения мощности компрессора при работе ОЭМ в режиме генератора На рисунке 4 представлен график изменения мощности компрессора в зависимости от приведенного расхода воздуха, сплошным показаны линии при работе ОЭМ в режиме холостого хода, а пунктиром - в режиме двигателя. На рисунке 5 представлены результаты испытаний ТЭК 120 при ОЭМ, работающей в режиме генератора, в сравнении с режимом холостого хода. Сплошными линиями показан режим холостого хода ОЭМ, пунктиром обозначено смещение линий Пк относительно линий холостого хода при работающей ОЭМ в режиме генератора. По аналогии на рисунке 6 представлен график изменения мощности компрессора в зависимости от приведенного расхода воздуха, сплошным показаны линии при работе ОЭМ в режиме холостого хода, а пунктиром - в режиме генератора. Рисунок 7. Внешняя скоростная характеристика двигателя 6 ЧН 13/15,6 мощностью 550 кВт с ТЭК Выводы Характеристика компрессора ТЭК 120 при работе ОЭМ в режиме холостого хода в пределах точности измерений стенда соответствует характеристике компрессора прототипа, на основе которого изготовлен электротурбокомпрессор. То есть конструктивные изменения турбокомпрессора, связанные с установкой ОЭМ, не влияют на характеристики лопастных агрегатов электротурбокомпрессора. При работе ОЭМ в режиме двигателя степень повышения давления в компрессорной ступени увеличивается от 0,02 до 0,37 на режимах, соответствующих 200 - 500 м/с по окружной скорости колеса компрессора. Мощность компрессора увеличивается в диапазоне от 5,08 до 16,15 кВт. При работе ОЭМ в режиме генератора мощность компрессора уменьшается в диапазоне от 2,29 до 13,59 кВт на режимах, соответствующих 250 - 500 м/с по окружной скорости колеса компрессора. Таким образом, имеется возможность рекуперации энергии по мощности равной указанному выше диапазону, что практически соответствует проектной мощности ОЭМ равной 15 кВт. Контрольная проверка по результатам безмоторных испытаний, каких-либо нарушений конструкции и вредных контактов не выявила, что характеризует данную конструкцию турбоэлектрокомпрессора работоспособной. Для оценки изменения характеристики двигателя были проведены расчеты двигателя 6ЧН 13/15,6 мощностью 550 кВт, в которых оценивалась величина изменения мощности и крутящего момента, при разной мощности ОЭМ (рисунок 7). Таким образом, при мощности ОЭМ 5 кВт увеличение мощности двигателя в диапазоне частот вращения коленчатого вала 1000 - 1400 об/мин составляет ~ 11%, при мощности ОЭМ 10 кВт - 21%, а при мощности ОЭМ 15 кВт - 31%.

About the authors

A. V. Lazarev

JSC “NPO “Turbotehnika”

Email: design@kamturbo.ru
8 (4967) 74-49-03

V. N. Kaminskiy

JSC “NPO “Turbotehnika”; Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: design@kamturbo.ru
Dr.Eng., Prof.; 8 (4967) 74-49-03

R. V. Kaminskiy

JSC “NPO “Turbotehnika”; Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: design@kamturbo.ru
8 (4967) 74-49-03

S. V. Sibiryakov

JSC “NPO “Turbotehnika”

Email: design@kamturbo.ru
8 (4967) 74-49-03

I. N. Grigorov

JSC “NPO “Turbotehnika”

Email: design@kamturbo.ru
8 (4967) 74-49-03

E. A. Kostyukov

JSC “NPO “Turbotehnika”

Email: design@kamturbo.ru
8 (4967) 74-49-03

References

Supplementary files