Расчет турбокомпрессора

6. Конструкция агрегата  надува.

 

6.1 Требования к конструкции  турбокомпрессора.

 

В связи с многообразием условий в которых должен работать турбокомпрессор автомобильного двигателя, он должен удовлетворять следующим требованиям:

1. Турбокомпрессор должен обеспечивать необходимое количество воздуха для сгорания топлива на всех режимах работы двигателя, в том числе и на разгонах, для выполнения заданных норм по экономичности и экологии. При этом его КПД должен быть максимально возможным, но не менее 50 %, а момент инерции ротора минимальным.
2. Турбокомпрессор должен надёжно работать в любых условиях работы транспортного двигателя, а его ресурс не должен быть меньше ресурса самого двигателя;
3. Турбокомпрессор должен иметь определенный запас по частоте вращения ротора для того, чтобы сохранять работоспособность в экстремальных условиях работы двигателя, таких как «разнос», работа в высокогорных условиях .Подшипники должны обеспечивать надёжную работу ТКР до предельной скорости вращения;
4. Турбокомпрессор, его детали и узлы должны нормально функционировать в условиях пульсирующего потока и циклично меняющейся температуры газа, свойственных поршневым двигателям и создающих механические и тепловые нагрузки переменного характера;
5. Турбокомпрессор должен выдерживать многократные пуски двигателя при задержке поступления масла к подшипникам, а также резкие остановки после напряженных скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя;
6. Турбокомпрессор должен работать на том же масле, что и двигатель, не требуя дополнительной ее очистки. Турбокомпрессор должен иметь надёжное уплотнения, чтобы исключить попадание масла в проточную часть компрессора и турбины, а также воздуха и газа в картерную часть двигателя;
7. В течение всего срока службы турбокомпрессор не должен требовать технического обслуживания, его конструкция должна обеспечивать легкий монтаж турбокомпрессора на двигатели различных компановочных схем, иметь хорошие массогабаритные показатели;
8. Стоимость системы наддува не должна превышать стоимости затрат при повышении мощности двигателя за счет увеличения его рабочего объема;
9. Турбокомпрессор должен быть работоспособен, причем его ремонт должен осуществляться с минимальными затратами и не требовать сложного станочного оборудования.

Столь сложным, многообразным  и противоречивым требованиям удовлетворяет  компоновочная схема ТКР с  центробежным колесом и центростремительной  турбиной, консольно расположенными по обе стороны от подшипников. 

6.2. Компрессорная ступень

 

6.2.1Исходные данные для расчёта

Исходные данные
Эффективная мощность двигателя Ne=	156	кВт
Частота вращения коленчатого вала n=	2700	кВт
Рабочий объём цилиндров двигателя Vh=	6,3795	л
R=	287	Дж/кг×К
к=	1,4	Дж/кг×К
Ср=	1004,5	Дж/кг×К
То=	293	К
Lo=	14,45

 

6.2.2. Термодинамические параметры воздуха на входе

 

Полное давление перед компрессором:

Полная температура потока:

Температура движущегося потока:

Статическая составляющая полного  давления потока:

Плотность воздуха:

Полное давление	Полная температура	Темп.движущегося потока	Статич.полного давления	Плотность воздуха
P1*	T1*	T1	P1	р1,кг/м^3
98285,25	293	287,0214591	91443,32	1,11
Па	К	К	Па	кг/м^3

 

 

6.2.3. Характеристические параметры работы компрессора

 

Мощность двигателя:

Массовый расход воздуха:

Удельная адиабатическая работа:

Коэффициент напора:

 

Максимальная окружная скорость на наружном диаметре колеса:

 

Массовый расход воздуха	Gк	0,21	кг/с
Подгонка Пи к	Ne	214884,12	Вт
Полное давление после  компрессора	Pk*	196570,50	Па
Удельная работа	Lад	64459,77	Дж/кг
Коэффициент напора	ψк	0,48
Коэф. Полной работы	ψкт	0,67
Макс. Окружная скорость	U2	365,31	м/с
Осевая составляющая абслютной скорости на входе	С1а	109,59	м/с

 

6.2.4. Рабочее колесо

 

6.2.4.а.Геометрия элементов проточной части

 

Предполагаемая площадь входного сечения:

Диаметр колеса во входном сечении:

Наружный диаметр колеса:

Диаметр втулки колеса:

Средний входной диаметр:

Площадь входного сечения	F1	0,00172	м^2
Диам. колеса во входном сеч.	d1	0,0492	м
Наружный диаметр колеса	d2	0,0758	м
Диаметр втулки колеса	d0	0,0152	м
Средний входной диаметр	d1ср	0,0364	м

 

6.2.4.б. Параметры треугольника скоростей

 

Окружная скорость колеса:

Осевая составляющая абсолютной скорости на входе:

Число Маха по скорости на входе:

Угол входа потока в колесо в  относительном движении:

Скорость потока на входе в относительном  движении:

 

 

 

Окружная скорость колеса	U1ср	175,67	м/с
Осевая составл. абс. скорости на входе	C1а	109,59	м/с
Абсолютная скорость на входе	С1	109,59	м/с
Число Маха по скорости на входе	М	0,32
Угол входа потока в  колесо	β1ср	31,95	градусов
Скорость потока на входе в относительном  движении	W1ср	207,06	м/с

 

 

6.2.4.в.Параметры треугольника скоростей в сечении 2

 

Коэффициент уменьшения теоретического напора:

Радиальная составляющая скорости потока на выходе:

Окружная составляющая абсолютной скорости:

Абсолютная скорость выхода потока из рабочего колеса:

Угол выхода вектора абсолютной скорости из колеса:

Скорость потока на выходе в относительном  движении:

Угол выхода вектора относительной  скорости:

Коэф-т уменьшения напора	μ	0,83
Радиальная скорость на выходе	С2r	109,59	м/с
Окружная состав-щая абсолютной ск-ти	С2u	260,59	м/с
Абс-я ск-ть выхода потока из раб.колеса	С2	282,70	м/с
Угол выхода вектора абс-й ск-ти из колеса	ά2	22,81	градусов
Ск-ть потока на выходе в отн-ном движ-ии	W2	151,59	м/с
Угол выхода вектора отн-й ск-ти	β2	46,30	градусов

 

6.2.4.г. Термодинамические параметры потока воздуха в сечении 2

 

Теоретический коэффициент напора:

Коэффициент напора на выходе их колеса:

Полное давление:

Температура заторможенного потока:

Температура движущегося потока:

Статическое давление:

Плотность воздуха:

Число Маха в относительном движении:

Теоретич-й коэф-т напора	ψ теор	0,713
Коэф-т напора на выходе из колеса	ψ2	0,633
Полное давление с учетом потерь напора в колесе	P2*	237803,92	Па
Температура заторможенного потока	T2*	382,53	К
Температура движущегося  потока	Т2	342,75	К
Давление статическое	Р2	161924,07	Па
Плотность воздуха	ρ2	1,65	кг/м^3
Число Маха в относительном  движении	М	0,41

 

6.2.4.д. Геометрия элементов колеса

 

Ширина лопаток на наружном диаметре:

Ширина колеса по оси вращения:

Ширина лопаток на наружном диаметре колеса	b2	0,0049
Ширина колеса по оси вращения	bк	0,0246

 

6.2.5. Безлопаточный диффузор

 

6.2.5.а. Параметры потока на выходе из диффузора

 

Наружный диаметр диффузора:

Ширина щели диффузора:

Радиальная составляющая абсолютной скорости:

Эквивалентная абсолютная шероховатость  стенок диффузора:

Гидравлический диаметр диффузора:

Коэффициент динамической вязкости воздуха:

Критерий Рейнольдса:

Коэффициент трения в диффузоре:

Окружная составляющая абсолютной скорости:

Абсолютная скорость:

Угол выхода потока из диффузора:

Средний угол потока в диффузоре:

Удельная работа трения в диффузоре:

Коэффициент потерь напора в диффузоре  за счёт трения:

Коэффициент напора на выходе из диффузора:

Полное давление за диффузором:

Температура движущегося потока:

Статическое давление: 10^-05

Плотность воздуха:

Наружный диаметр диффузора	d4	0,129	м
Ширина щели диффузора	b4	0,0039	м
Радиальная составляющая абсолютной скорости	С4r	80,584	м/с
Плотность воздуха за диффузором	ρ4	1,646	кг/м^3
Гидравлический диаметр  диффузора	dг	0,0098	м
Коэф-т динамической вязкости воздуха	μ	2,05623E-05	Па*с
Число Рейнольдса	Re	221038
Коэффициент трения в диффузоре	λд	0,0180
Окружная составляющая абсолютной скорости	С4u	144,87	м/с
Абсолютная скорость	С4	165,77	м/с
Угол выхода потока из диффузора	α4	29,08	Град.
Средний угол потока в диффузоре	α4ср	25,94	Град.
Температура потока	Т4*	382,53	К
Удельная работа трения в  диффузоре	Δlд	2999,44	Дж/кг
К-т потерь напора в диф-ре за счет трения	Δψд	0,0225
К-т напора на выходе из диф-ра	ψ4	0,6109
Полное давление за диф-ром	Р4*	113352,13	Па
Температура движ-ся потока	Т4	368,85	К
Давление статическое	Р4	99788,11	Па
Плотность воздуха	ρ4	0,94	кг/м^3

 

 

 

6.2.5.б. Параметры потока на выходе из воздухосборника

 

Радиус центра масс выходного сечения:

Диаметр выходного сечения улитки:

Коэффициент трения в улитке:

Удельная работа трения в улитке:

Коэффициент потери напора за счёт трения в улитке:

Коэффициент напора на выходе из улитки:

Полное давление:

Температура заторможенного потока для  адиабатного течения:

Окружная скорость в потоке:

Температура движущегося потока:

Статическое давление:

Плотность воздуха:

Окружная скорость потока в выходном сечении	C5u	144,870164	м/с
Диаметр выходного сечения  сечения улитки	dу	0,03788	м
Удельная работа трения в  улитке	Δλу	2241,75	Дж/кг
Радиус центра масс выходного  сечения 5	r 5	0,0644	м
К-т потерь напора за счет трения в улитке	Δψу	0,0168
К-т напора на выходе из улитки	ψ5	0,5941
Полное давление с учетом потерь на трение	P5*	226486,74	Па
Температура заторможенного потока для адиаб-го течения	T5*	382,53	K
Температура движущегося  потока	Т5	372,08	К
Давление статическое	Р5	205567,43	Па
Плотность воздуха	ρ5	1,93	кг/м^3

 

6.2.5.в. Параметры потока на выходе из корпуса

 

Полное давление:

Температура заторможенного потока:

Температура движущегося потока:

Статическое давление:

Плотность воздуха:

Полное давление	Р6*	226486,7	Па
Температура заторможенного потока	Т6*	382,5	К
Температура движущегося  потока	Т6	381,7	К
Давление статическое	Р6	224840,6	Па
Плотность воздуха	ρ6	2,1	кг/м^3

 

 

 

6.2.5.г. Геометрия элементов улитки

 

Характерный параметр улитки:

Площадь поперечного выходного  сечения улитки:

Диаметр выходного сечения улитки:

Площадь поперечного выходного  сечения корпуса:

Характерный параметр улитки	Н	0,0110	м
Площадь поперечного сечения  улитки	F5	0,0007	м^2
Диаметр выходного сечения  улитки (сравнить)	dу	0,0301	м
Площадь поперечного выходного  сечения корпуса	F6	0,0026	м^2

 

6.2.6. Действительные параметры работы компрессора

 

Действительная степень повышения  давления:

Теоретическая удельная работа адиабатического  сжатия:

Удельная действительно затраченная  работа:

Действительный адиабатический КПД:

Мощность, затрачиваемая на привод компрессора:

Частота вращения ротора турбокомпрессора:

Действительная степень  повышения давления	πк	2,30
Теоретическая удельная работа ад-го сжатия	Lад	64459,8	Дж/кг
Удельная действительно  затрач.работа сжатия	Lад.з	89933,1	Дж/кг
Действ-й адиабатический КПД	ήк	0,72
Мощность на привод компрессора	Nк	18859,3	Вт
Частота вращения ротора тубокомпрессора	nк	92084,7	1/мин

 

 

6.3. Турбинная ступень

 

6.3.1. Параметры и условия работы турбины

 

Газовая постоянная выпускных газов:

Частота вращения ротора:

 

Показатель адиабаты выпускных  газов:

Удельная массовая изобарная теплоёмкость выпускных газов:

Давление окружающей среды:

Температура окружающей среды:

Массовыё расход газа через турбину:

Располагаемая (адиабатическая) работа газа:

Эмпирический коэффициент:

Полная абсолютная температура  газа перед корпусом турбины:

Степень понижения давления в турбине:

Статическое давление за турбиной:

Полное давление потока в сечении  перед корпусом турбины:

Плотность газа перед корпусом турбины:

Массовый расход газа через  турбину	Gт	0,218	кг/с
Располагаемая работа газа,подведенного к турбине	Lад.т	123450,43	Дж/кг
Степень уменьшения давления в турбине	π т	1,64
Полная абс-я т-ра газа перед корпусом турбины	Т0*	931,82	К
Полное давление потока перед  корпусом турбины	Р0*	169053,61	Па
Статическое давление за турбиной	Р2	103351,50	Па
Плотность газа перед корпусом турбины	ρ0*	0,634	кг/м^3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.3.2. Безлопаточный направляющий аппарат

 

6.3.2.а. Степень реактивности турбины

 

Угол входа потока в колесо:

Коэффициент скорости:

Безразмерная скорость:

Угол входа потока колесо в относительном движении:

Отношение, определяемое из треугольника скоростей перед рабочим колесом:

Степень реактивности турбины:

Угол входа потока в  колесо в отн-ном движ-ии	β1	80
Отношение скоростей	С1u/U1	0,9304
Степень реактивности турбины	ρ	0,6091

 

6.3.2.б. Скоростные параметры потока на входе в рабочее колесо

 

Скорость адиабатического истечения  через эквивалентное сопло:

Абсолютная скорость выхода потока из направляющего аппарата:

Радиальная составляющая абсолютной скорости:

Окружная составляющая абсолютной скорости:

Окружная скорость колеса:

Относительная скорость входа потока:

Ск-ть адиаб-го истечения через эквив-ное сопло	Сад	496,89	м/с
Абс-я ск-ть выхода потока из напр-щего аппарата	С1	301,33	м/с
Радиальная составляющая абсолютной скорости	C1r	117,74	м/с
Окружная составляющая абсолютной скорости	C1u	277,37	м/с
Окружная скорость колеса	U1	298,13	м/с
Относительная скорость входа  потока	W1	119,55	м/с

 

 

6.3.2.в. Термодинамические параметры газа перед колесом

 

Полная температура газа при  течении в направляющем аппарате:

Температура движущегося потока:

Полная температура потока в  относительном движении:

Статическое давление:

Плотность газа:

 

Полная т-ра газа при течении в направ-щем аппарате	Т1*	931,8	К
Тепература движущегося потока	Т1	892,4	К
Полная т-ра газа в относительном движении	T*w1	898,6	K
Статическое давление	Р1	142046,9	Па
Плотность газа	ρ1	0,557	кг/м^3

 

6.3.3. Колесо турбины

 

Наружный (входной) диаметр рабочего колеса:

Выходной диаметр колеса:

Диаметр втулки колеса:

Ширина колеса по оси вращения:

Диаметр диска колеса:

Средний выходной диаметр:

Количество лопаток:

Ширина лопаток на наружном диаметре:

Наружный диаметр рабочего колеса	d1	0,0618	м
Входной диаметр колеса	d2	0,0464	м
Диаметр втулки колеса	d0	0,0155	м
Ширина колеса по оси вращения	bт	0,0124	м
Диаметр диска колеса	dд	0,0433	м
Средний выходной диаметр	d2ср	0,0346	м
Ширина лопаток на наружном диаметре	b1	0,0171	м

 

 

 

 

 

6.3.3.а. Параметры треугольника скоростей на выходе из колеса

 

Окружная скорость колеса на среднем  выходном диаметре:

Коэффициент скорости, учитывающий  потери в колесе:

Относительная скорость потока:

Абсолютная скорость выхода потока из рабочего колеса:

Угол выхода относительной скорости потока на среднем диаметре:

Окружная ск-ть колесана среднем выходном диаметре	U2ср	166,66	м/с
Относительная скорость потока	W2	257,48	м/с
Абсолютная скорость выхода потока из р.колеса	С2	196,26	м/с
Угол выхода относительной  ск-ти потока на ср.д-ре	β2	49,66	Градусов

 

6.3.3.б. Термодинамические параметры

 

Полная температура потока в  относительном движении:

Температура потока, покидающего рабочее  колесо:

Плотность:

Число Маха в относительном движении:

 

Полная т-ра потока в отнсительном движении	Т*2w	872,1	К
Тем-ра потока,покидающего колесо	Т2	843,4	К
Плотность	ρ2	0,4285	кг/м^3
Число Маха в отн-ном движении	М	0,4546

 

 

 

6.3.4. Эффективные параметры работы турбины

 

Окружная работа колеса:

Окружной КПД:

Действительная располагаемая  удельная работа газа в турбине:

Коэффициент неравномерности параметров в выходном сечении:

Энергия, уносимая с отработанными  газами:

Адиабатический КПД:

Механический КПД:

Эффективный КПД:

 

 

Окружная работа колеса	Lu	49985,9	Дж/кг
Окружной КПД	ήu	0,4049
Действительная располагаемая  удельная работа газа	Lт	101953,6	Дж/кг
Энергия уносимая с отработавшими газами	Lвых	21184,6	Дж/кг
Адиабатический КПД	ήад.т	0,654
Эффективный КПД	ήте	0,648