Турбокомпрессор с изменяющейся геометрией

     2.7.7 РАСЧЕТ ТУРБОКОМПРЕССОРА 

     2.7.7.1 Выбор конструкции турбокомпрессора

     Турбонаддув — один из методов агрегатного наддува, основанный на утилизации энергии отработавших газов. Основной элемент системы —турбокомпрессор. На низких оборотах двигателя при недостаточном образовании выхлопных газов нагнетается мало воздуха. Работа турбины практически незаметна и мощность не увеличивается – это явление называют турбояма. Для поддержания оптимальной степени повышения давления (избавление от турбоямы) используют систему турбонаддува с изменяющейся геометрией лопаток (регулируемым сопловым аппаратом, VNT (Variable Nozzle Turbine) ). Изменением размера входного отверстия может управлять как сама величина давления в турбине, используя клапан давления, так и система управления двигателем, используя вакуумный клапан.

     2.7.7.2 Выбор данных для расчета турбокомпрессора

     Основные  параметры берем аналогичные  принимаемые в тепловом расчете  двигателя, то есть:

  • Двигатель дизельный четырехтактный
  • Номинальная мощность двигателя кВт
  • Номинальная частота вращения ДВС мин-1

     2.7.7.3  Расчет турбокомпрессора на номинальном режиме работы

       Расчет компрессора.

     В настоящее время наиболее распространенным типом центробежного компрессора, применяемого для турбокомпрессоров, является радиально-осевой. Схема проточной части центробежного компрессора с лопоточным диффузором представлена на рисунке 5.1

     

     Рисунок 5.1 Схема проточной части центробежного  компрессора с лопаточным диффузором

     На  рисунке буквами cобозначена абсолютная, w – относительная, u – окружная скорости. Сечение ɑвх - ɑвх  соответствует параметрам потока на входе в подводящий патрубок, I – I – перед входными кромками лопаток, II – II – за выходными кромками на диаметре D2, III – III – на выходе из безлопаточного диффузора, IV – IV – на выходе из лопаточного диффузора и V – V – на выходе из воздухосборника. Окружные составляющие абсолютной скорости имеют индекс u, радиальный – r, осевые – a.

     Параметры окружающей среды и физические константы для воздуха приняты по данным теплового расчета. Компрессор радиально-осевой с лопаточным диффузором, одноступенчатый.

     Массовый  расход воздуха через двигатель 

     где — коэффициент продувки;

       – коэффициент избытка воздуха

       –  количество  воздуха необходимого  длясгорания

       – мощность двигателя

       – эффективный расход топлива

     Плотность воздуха на входе в компрессор

     

     Объемный  расход воздуха через компрессор 

     Расчет  входного устройства и рабочего колеса. Температура воздуха в сечении (см. рис. 17.3)

     

         Давление воздуха в сечении ɑвх - ɑвх 

       МПа

     где —потери давления на всасывании в компрессор,МПа.

     Степень повышения давления воздуха в  компрессоре 

     где рт=0,13 МПа — давление наддувочного воздуха (см. тепловой расчет дизеля).

     По  известным значениям QB и лж, используя графические зависимости рисунок 5.2, определяем типоразмер турбокомпрессора — ТКР-11, а следовательно номинальный базовый диаметр колеса компрессора — D2 = 0,11 м = 110 мм 

           

     Рисунок 5.2  Расходные характеристики компрессоров типов ТКР

     Адиабатическая  работа сжатия в компрессоре 

       Дж/кг

     Окружная  скорость на наружном диаметре колеса компрессора

       м/с

     где — коэффициент напора.

     Частота вращения колеса компрессора

      

     Температура воздуха на входе в колесо компрессора (сечение I-I)

       К

     где =40 — скорость воздуха во входном сечении, м/с; абсолютная скорость потока перед колесом, м/с; = 1005 — теплоемкость воздуха при постоянном давлении, Дж/(кг' К). Потери в воздухоподводящем патрубке компрессора

     

     где коэффициент потерь для патрубков с осевым входом. 

     Показатель  политропы п^ на участке входа  воздуха в компрессор определяем из выражения  

     откуда

     Давление  перед колесом компрессора

       МПа

     Плотность воздуха в сечении

       кг/м3

     Площадь поперечного сечения  

     Диаметр рабочего колеса на входе в компрессор 
 

     где — отношение диаметра втулки колеса к его диаметру на входе.

     Диаметр втулки рабочего колеса компрессор 

     Относительный диаметр втулки рабочего колеса 

     Относительный диаметр колеса на входе 

     Относительный средний диаметр на входе в  колесо 

     Коэффициент мощности для осерадиальных колес 

     Где    — число лопаток рабочего колеса компрессора.

     Окружная  составляющая абсолютной скорости на выходе из колеса 

     Радиальная  составляющая абсолютной скорости 

     Абсолютная  скорость воздуха на выходе из колеса (см. рис. 17.3) 

     Отношение     лежит в допускаемых пределах.

     Температура воздуха на выходе из колеса 

     где — коэффициент дисковых потерь.

     Показателем политропы сжатия в рабочем колесе задаемся: 

     Давление  воздуха на выходе из колеса 

     Плотность воздуха за рабочим колесом 

     Высота  лопаток рабочего колеса на диаметре (см. рис. 17.3) 

     Относительная высота лопаток в выходном сечении  колеса

       

     Относительная ширина колеса компрессора 

     где — ширина колеса компрессора, м.

     Расчет  диффузоров и воздухосборника. Ширину безлопаточной части диффузора принимаем равной высоте лопаток колеса на выходе (см. рис. 17.3): 

     Наружный  диаметр безлопаточного диффузора 

     где — относительный наружный диаметр безлопа

     точного диффузора.

     Абсолютная  скорость на выходе из безлопаточного диффузора 

     Отношение не превышает допустимых значений.

     Давление  за лопаточным диффузором 

     Показатель  политропы сжатия в диффузорах принимаем Температура воздуха за лопаточным диффузором 

     Скорость  воздуха на выходе из лопаточного  диффузора 

     Наружный  диаметр лопаточного диффузора (см. рис. 17.3) находится в пределах Принимаем

     

     Ширина  лопаточного диффузора на выходе

     

     где v=6° — угол раскрытия стенок лопаточного диффузора.

     Скорость  воздуха на выходе из воздухосборника 

     Потери  в воздухосборнике (улитке) 

     где — коэффициент потерь в воздухосборнике.

     Давление  на выходе из улитки 

      
Давление воздуха  в компрессоре  можно повысить, если выходной патрубок воздухосборника будет диффузорным .

     Расчет  основных параметров компрессора. Конечное давление на выходе из компрессора отличается от принятого в тепловом расчете на 0,77%, что допустимо.

     Температура воздуха после компрессора отличается

     от  полученного в тепловом расчете  значения   на 0,03%.

     Действительная  степень повышения давления в  компрессоре

     Адиабатический  КПД компрессора 

     Адиабатическая  работа, определенная по действительной степени повышения давления: 

     Коэффициент напора  отличается от принятого в расчете  на 0,33%, что допустимо.

     Мощность, затрачиваемая на привод компрессора: 

     Расчет  турбины.

     Количество  выпускаемых газов, поступающих  на турбину от двигателя: 

     Давление  газа в выпускном патрубке зависит  от системы наддува и изменяется в четырехтактных двигателях в пределах Имея в виду, чтодолжно быть выше давления перед турбиной, принимаем  

     Температура газа перед турбиной при <рп=1 

     где — температура газа в выпускном патрубке; — показатель политропы расширения в процессе выпуска.

     Противодавление за турбиной В расчетах принимаем

     Показатель  изоэнтропы выпускных газов рассчитывают по температуре газа, составу топлива и коэффициенту избытка воздуха. Для четырехтактных двигателей В расчетах принимаем

     Молекулярная  масса газа перед турбиной находится  с учетом параметров, определенных в тепловом расчете дизеля: 

     Газовая постоянная выпускных газов 

     В соответствии с определенным ранее  типом турбокомпрессора (ТКР-11) принимаем  для расчета изобарную радиальную турбину с КПД

     Давление  газа перед турбиной 

     Отношение. Для четырехтактных двигателей

     Расчет  направляющего аппарата (сопла). Полная адиабатическая работа расширения газа в турбине 

     Адиабатическая  работа расширения в направляющем аппарате 

     где — степень реактивности.

     Абсолютная  скорость газа перед рабочим колесом 

     где — коэффициент скорости.

     Температура газа за направляющим аппаратом 

     Число Маха 

     т. е. поток газа дозвуковой и сопло  надо выполнять суживающимся.

     Радиальная  и окружная составляющие абсолютной скорости газа перед рабочим колесом (см. рис. 17.6) 
 

     где — угол выхода потока из направляющего аппарата.

     Угол  входа потока на лопатки рабочего колеса 

     где — окружная скорость на наружном диаметре колеса.

     С целью повышения КПД турбины  принимают Условная адиабатическая скорость истечения газа 

     Параметры быстроходности турбины 

     лежат в диапазоне

     Относительная скорость потока перед колесом 

     Наружный  диаметр рабочего колеса 

     Необходимо  иметь в виду, что

     Потери  энергии в направляющем аппарате 

     Входной диаметр направляющего аппарата 

     Показатель  политропы расширения в направляющем аппарате, 
 

     Давление  газа на выходе из направляющего аппарата 

     Плотность газового потока 

     Ширина  лопаток направляющего аппарата 

     Расчет  рабочего колеса. Адиабатическая работа расширения газа в колесе турбины

     Данные  расчета конструктивных параметров рабочего колеса запишем в таблицу 5.1

    Параметры
    Значения, м
    Внутренний  диаметр при  

    Втулочный диаметр  при 

    Среднеквадратический  диаметр колеса на выходе 

    Ширина лопаток  колеса на входе 

    Ширина лопаток  при 

  
 
 
 
 
 
 
 
 

     где — коэффициент скорости;  — относительный среднеквадратичный диаметр колеса на выходе.

     Окружная  скорость на диаметре  

     Считая  выход потока газа осевым из треугольника скоростей (см. рис. 125) находим величину абсолютной скорости на выходе из колеса 

     Температура газа на выходе колеса 
 

     где — коэффициент дисковых потерь.

     Адиабатический КПД турбины без учета потерь с выходной скоростью 

     Адиабатический  КПД турбины с учетом потерь с  выходной скоростью 

     Общий КПД турбины  

     где - механический КПД турбокомпрессора.

     КПД турбокмпрессора 

     Мощность  развиваемая турбиной 

       Расчет особенностей работы турбокомпрессора  на режимах частичной мощности  ДВС.

           Данный расчет производится по аналогии с расчетом для номинального режима работа турбины и компрессора, используя метод итераций. Результаты расчета представлены в виде таблиц  5.2, 5.3, 5.4, а также графиков функций зависимостей КПД турбины, компрессора, степени повышения давления и эффективного КПД двигателя от частоты вращения двигателя, представленных на рисунках 5.3, 5.4, 5.5. 

     Таблица 5.2 Основные параметры двигателя

ne 2000 1750 1500 1250 1000 750 500
ge 212 203,3875 201,4 206,0375 217,3 235,1875 259,7
Ne 190 181,732 164,5875 140,793 112,575 82,16016 51,775
 

     Таблица 5.3 Результаты расчета компрессора  на режимах частичной мощности работы ДВС

Gв 0,3569255 0,32752 0,293727 0,257049 0,216765 0,171224 0,119146
Qв 0,2999374 0,275231 0,24683 0,216007 0,182156 0,143885 0,100123
πк 1,37 1,33 1,3 1,26 1,22 1,17 1,12
Lад.к 27699, 24985,05 22910,44 20090,42 17205,71 13503,2 9685,889
u2 214,8636 204,0631 195,4075 182,9864 169,3404 150,0178 127,0557
nк 37324,3 35448,13 33944,55 31786,87 29416,4 26059,84 22071,05
c2u 179,196 170,1886 162,9698 52,6107 141,2299 125,1148 105,9644
c2r 64,45908 61,21893 58,62224 54,89593 50,80213 45,00534 38,11671
c2 190,43 180,8644 173,1927 162,1838 150,0891 132,9632 112,6115
c4 90,14580 74,67881 62,17497 56,46755 49,26199 39,99004 51,29666
ηад.к 0,70706 0,672246 0,63355 0,588248 0,552536 0,497878 0,438295
Nк 13,9827371 12,17294 10,62177 8,778984 6,749965 4,643841 2,633012

      

     Таблица 5.4 Результаты расчета турбины на режимах частичной мощности работы двигателя.

Gг 0,368114 0,337792 0,302935 0,265107 0,223561 0,176591 0,122881
pт 0,12485 0,123597 0,122976 0,121745 0,119927 0,117557 0,114675
Lад.т 49979,9412 47416,87 46135,33 43572,26 39727,65 34601,5 28193,81
ρт 0,5 0,52 0,54 0,56 0,58 0,6 0,6
Lс 24989,97 22760,1 21222,25 19171,79 16685,61 13840,6 11277,53
с1 210,148224 200,5533 193,6594 184,0663 171,7172 156,3941 141,1724
α1 25 20 15 10      5      4      2
c1r 88,81247 68,59328 50,12274 31,96277 14,96614 10,9095 4,926845
c1u 190,4589 188,4585 187,0606 181,2699 171,0638 156,0131 141,0864
β 105,36497 102,8164 99,45459 93,07408 83,43118 61,20901 19,3486
cад. 316,1643 307,9509 303,7609 295,2025 281,8781 263,0646 237,4608
Х 0,6795947 0,662648 0,643294 0,619868 0,600758 0,57027 0,53506
w1 92,10451 70,34587 50,81298 32,00883 15,06504 12,44833 14,87058
w2 129,6934 116,5072 107,5345 100,2917 92,3658 87,9282 86,7636
u2ср 102,5485 97,39375 93,26265 87,33443 80,82156 71,5994 60,64022
c2 79,398853 63,94047 53,5326 49,30632 44,71371 51,03817 62,0539
T2 881,93155 884,7791 886,8768 889,215 891,2964 893,7247 896,2428
ηад.т 0,8039329 0,823889 0,835942 0,839103 0,841837 0,829359 0,79871
ηт 0,7637362 0,782694 0,794145 0,797147 0,799745 0,787891 0,758775
ηтк 0,6139927 0,644853 0,663859 0,668888 0,673255 0,653444 0,606041
Nт 14,051478 12,53644 11,09898 9,208085 7,102964 4,814262 2,628768
ηэ 0,4001492 0,417094 0,42121 0,411729 0,390389 0,360698 0,326652

 

     

     Рисунок 5.3 Графики зависимости КПД турбины и компрессора от частоты вращения коленчатого вала ДВС

 

     Рисунок 5.4График зависимости степени повышения  давления от  от частоты вращения коленчатого вала ДВС

 
 
 
 
 
 

     Рисунок 5.5 График зависимости эффективного КПД двигателя от частоты вращения коленчатого вала

Турбокомпрессор с изменяющейся геометрией 📙 Реферат → 🆔 284383

Турбокомпрессор с изменяющейся геометрией 📙 Реферат → 🆔 284383

Турбокомпрессор с изменяющейся геометрией