2088

и учитывает напорный КПД.

Напор – эта удельная энергия (энергия, отнесенная к единице веса). Адиабатный напор будет равен:

Напорный КПД учитывает потери на вихреобразование и может достигать значения, равного 0,7…0,8.

Наддув воздуха в цилиндры двигателя применяют с целью уплотнения заряда (больше воздуха, больше топлива, выше мощность двигателя). Повысить давление можно сближением молекул или уменьшением объема камеры сжатия.

При вращении колеса центробежного компрессора его частота может достигать 100 000 мин-1, при этом абсолютная скорость воздуха доходит до 400 м/с. Пройдя каналы рабочего колеса, воздух направляется в расширяющие каналы (диффузор, улитку), в которых скорость потока снижается и кинетическая энергия преобразуется в энергию давления.

Если в уравнении энергии (2.7) скорость w2 = 0, то оно примет вид

откуда температура заторможенного потока будет равна:

При W1 = 400 м/с и полном торможении потока температура воздуха достигнет 80 oС.

Зная температуру заторможенного потока газа в канале (Т2 = Т*), можно определить давление, используя выражение:

n

диффузорах (расширяющихся каналах), например, центробежного компрессора. Изменение энергии газа в каналах компрессора можно определить по изменению скорости, температуре и давления. Вначале находим изменение скорости (расширение, сужение канала), затем определяем потери энергии (пропорциональны скорости в квадрате), далее

10

определяем температуру и давление.

Сопловый аппарат турбины служит для направленного движения газа на лопатки колеса и преобразования энергии газа в кинетическую энергию. В сопловом аппарате (он неподвижен) работа не совершается, а располагаемый перепад энтальпии преобразуется в энергию скорости (кинетическую энергию) с учетом выражения (2.17).

где HT –располагаемый перепад энтальпии.

По формуле (2.20) можно найти адиабатную скорость истечения. Перепад энтальпии НТ, срабатываемый в турбине, определяют из баланса мощности на валу компрессора и турбины:

NK = NT ;

где Т – внутренний КПД турбины (0,7…0,75), учитывает потери в проточной части, потери с выходной скоростью, трение колеса о газ; мeх

– механический КПД турбины (0,92…0,96) учитывает потери на трение в подшипниках; GK и GT – расход газа через компрессор и турбину, кг/с.

Степень реактивности турбины R характеризует распределение НТ между сопловым аппаратом и рабочим колесом

активная). Если R =1,то HT = HK , то перепад энтальпии преобразуется в кинетическую энергию на рабочем колесе (турбина реактивная). Для центростремительных турбин величину R рекомендуют принимать от 0,45 до 0,5. При R = 0.5 половина НТ преобразуется в кинетическую энергию в сопловом аппарате, другая – в межлопаточных каналах рабочего колеса.

Задаваясь величиной R, находим HC:

11

Абсолютная скорость газа на выходе из соплового аппарата

где = (0,93…0,96) – коэффициент, учитывающий потери скорости в сопловом аппарате.

3.СВЯЗЬ ЭФФЕКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ

СРАСХОДОМ И ПЛОТНОСТЬЮ ВОЗДУХА

Мощность характеризуется работой, выполняемой за единицу

Для поршневых двигателей внутреннего сгорания работа двигателя за цикл

где i– число цилиндров.

Угол поворота коленчатого вала и время связаны выражением

12

где m – тактность двигателя (для четырёхтактного – 4, двухтактного –2). Из анализа формулы (3.7) следует, что при постоянном рабочем

объёме iVh величину Ne можно увеличить, повышая n и Pe. Величина Pe

представляет собой среднее эффективное давление, которое за один такт (ход поршня) совершает работу, равную работе, выполняемой переменным

где Hu – низшая теплотворная способность топлива; i – индикаторный КПД; Lo – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг. топлива; – коэффициент избытка воздуха; V – коэффициент наполнения; M – механический КПД.; K – плотность заряда (воздуха).

Для повышения Pe увеличивают K , повышая давление воздуха Pk и пропорционально увеличивая подачу топлива.

определять по следующей методике. Вначале определяют необходимый часовой расход воздуха (кг/ч), при котором обеспечивается полное сгорание топлива:

где ge – эффективный удельный расход топлива, кг / (кВт ч).

За одну секунду в цилиндры двигателя поступает следующее

13

Определим K , например, для двигателя Д-440 «Алтайдизель» при

Определив необходимую плотность, находим давление, которое должен создать компрессор. Прирост давления и плотности воздуха в расширяющихся каналах компрессора определяют, используя уравнения газовой динамики.

Расчёт турбокомпрессора начинают с выбора диаметра колеса компрессора и его частоты вращения. Используя формулу (2.17) определяют окружную скорость на выходе колеса компрессора для основного режима работы двигателя:

k = Pk / Ро ,

где Pо – давление воздуха на входе в компрессор.

По формулам 3.11 и 3.12 определяют часовой и секундный массовый расход воздуха. Используя карту (поле) характеристик серийных турбокомпрессоров по требуемому расходу воздуха выбирают прототип, например, ТКР-8,5. У данного турбокомпрессора с радиально-осевой турбиной диаметр колеса компрессора 85 мм. Зная диаметр колеса компрессора D2 и окружную скорость U2,, находят частоту вращения вала колеса компрессора по формуле

n =60U2/ D2 . (3.17)

Определив D2, U2 и n, находят значения абсолютной скорости, температуру и давление во входном патрубке, на рабочем колесе и воздухосборнике.

Исходными данными для определения геометрических размеров ступени турбины являются расчётные параметры компрессора:

D2к – внешний диаметр колеса компрессора;

nтк – частота вращения ротора турбокомпрессора; Lад – адиабатная работа сжатия воздуха;

Gk – расход воздуха через компрессор.

Диаметры колес компрессора и турбины обычно выбирают равными друг другу. Расход газа через турбину на 2…4% выше, чем у компрессора.

14

GT = Gk (1 + 1/ L0) 1,03 Gk.

Определив по формуле (2.21) перепад энтальпии НT, находят условную адиабатную скорость истечения газа из выражения

С учётом реактивности турбины определяют перепад энтальпии, срабатываемый в сопловом аппарате, и абсолютную скорость истечения газа.

Далее определяется давление газа перед турбиной и на входе в колесо. Пример расчёта турбокомпрессора приведён в данном учебном пособии.

4.МЕТОДИКА РАСЧЁТА КОМПРЕССОРА И ТУРБИНЫ

4.1.Назначение турбокомпрессоров, их устройство и классификация

Наддув двигателей внутреннего сгорания является одним из основных способов повышения его мощности. При помощи наддува повышается давление поступающего в цилиндр воздуха и, соответственно, плотность заряда. Это даёт улучшение экономичности двигателя, снижение дымности отработанных газов.

Повышение мощности осуществляется при помощи механического, газотурбинного и комбинированного способов наддува.

Наиболее широкое применение в практике двигателестроения находит газотурбинный наддув с использованием энергии выпускаемых газов двигателя.

При газотурбинном наддуве возможны два способа использования выпускных газов — при постоянном и переменном давлении газов.

В первом случае газ из цилиндров двигателя поступает в коллекторы достаточно большого объёма, в которых давление газа, направляемого затем к турбине (турбина постоянного давления), выравнивается.

Во втором случае, помимо тепловой энергии газа, в турбине (импульсная турбина) используется и кинетическая энергия газа, обусловленная её скоростью.

Турбина постоянного давления имеет более высокий КПД. Однако для сравнительно малых давлений наддува (до рk = 0,18…0,19 МПа), когда в общей энергии выпускаемых газов доля энергии импульса оказывается значительной, выгоднее импульсная турбина. В автотракторных двигателях в большинстве случаев применяют импульсную систему наддува. Газотурбинный наддув является наиболее экономичным из всех видов наддува.

Турбокомпрессором (ТК) называется агрегат, состоящий из компрессора и газовой турбины, рабочие колёса которых расположены на одном валу.

15

Работа, необходимая для сжатия воздуха компрессором, получается в результате расширения газа в турбине. Вал с рабочим колесом компрессора и турбины не связан с коленчатым валом двигателя. Турбокомпрессор при этом называется свободным, а его связь с двигателем – газовой. С целью повышения КПД в компрессорах применяют лопатки, загнутые назад.

Необходимым условием работы такого турбокомпрессора, помимо равенства частот вращения турбины и компрессора, является также равенство их эффективных мощностей на любом режиме.

К лас сификация т урбокомпре сс оров . Для обозначения турбокомпрессоров принята буквенно-цифровая система:

–ТК-12 – турбокомпрессоры с осевой турбиной и центробежным компрессором;

–ТКР-13 – турбокомпрессор с радиальной центростремительной турбиной и центробежным компрессором.

После обозначения типа турбокомпрессора указывается диаметр колеса компрессора в сантиметрах.

По давлению наддува турбокомпрессоры разделяются на три группы:

– низкого давления (до 0,12 МПа), к = 1,3…1,9 – исполн. Н;

Способы регулирования компрессора и турбины. Двигатель может работать в широком диапазоне изменения нагрузки и оборотов. Поэтому параметры газа на входе в турбину существенно изменяются. Для экономичной совместной работы ДВС производится расчёт, подбор и настройка турбокомпрессора, а также применяются специальные регулирующие устройства.

Правильно выбирая режимы и параметры работы турбины и компрессора, можно обеспечить согласование их характеристик с характеристикой двигателя лишь при степени повышения давления πk = 1,8…2. При более высоких πk для согласования работы двигателя с турбокомпрессором используют следующие способы регулирования компрессора и турбины:

1)дросселирование воздуха на входе в компрессор или выходе из него;

2)поворот лопаток входного направляющего аппарата и лопаток диффузора;

3)дросселирование газа при входе в турбину и выходе из неё;

4)изменение высоты соплового аппарата;

5)перепуск воздуха из нагнетательного патрубка во всасывающий или выпуск его в атмосферу;

6)перепуск части выпускных газов в атмосферу мимо турбины;

16

7)одновременное регулирование турбины и компрессора. Компрессоры и газовые турбины могут быть осевыми и радиальными.

Из радиальных лопаточных машин в комбинированных ДВС применяют центробежные компрессоры и центростремительные турбины. В компрессоре газ движется вначале в осевом направлении, а затем радиально от центра к периферии, изменяя направление на 90 о. В турбине газ движется радиально от периферии к центру и, совершив поворот на 90 о, выходит из неё в осевом направлении.

В зависимости от распределения общего перепада энтальпии между сопловой и рабочей решетками турбины делятся на активные и реактивные. В активной турбине процесс расширения заканчивается в сопловом аппарате, и давление за сопловой решеткой приблизительно равно давлению на выходе из турбины. Поскольку отсутствует расширение в рабочей решетке, относительная скорость примерно постоянна по длине межлопаточного канала. В реактивной турбине процесс расширения газа происходит как в сопловой, так и в рабочей решетке. Относительная скорость газа увеличивается как в сопловых, так и рабочих межлопаточных каналах. Реактивные турбины характеризуются более высоким КПД по сравнению с активными. Поэтому в комбинированных ДВС применяют преимущественно реактивные турбины или комбинированные (активно-реактивные).

На двигателях малых размеров, автомобильных и тракторных, устанавливают центростремительные турбины, имеющие при малых расходах более высокий КПД по сравнению с осевой турбиной, преимущества которых проявляются в случае больших расходов газа.

4.2. Пример задания для расчета турбокомпрессора

Определить основные геометрические размеры центробежного компрессора и радиально-осевой центростремительной турбины турбокомпрессора для наддува двигателя, имеющего следующие параметры:

– эффективная мощность

– частота вращения

– число цилиндров

– ход поршня

– диаметр цилиндра

– эффективный удельный расход топлива

– коэффициент избытка воздуха

– коэффициент наполнения

– коэффициент продувки

– необходимое число турбокомпрессоров

17

Схема наддува выбирается с учетом назначения двигателя, режима его работы и конструкции двигателя.

В двигателях КамАЗ применяется наддув с газовой связью. Преимущества данной схемы (рис. 4.1):

– используется энергия выхлопных газов, которая в машинах без наддува выбрасывается в атмосферу;

– на 4 повышается экономичность рабочего процесса;

– уменьшается шум при работе двигателя.

Недостатки по сравнению с механическим приводом компрессора:

–плохие пусковые качества двигателя;

–плохая приемистость (способность машины быстро набирать скорость).

ДВС Т К

Рис. 4.1. Схема комбинированного двигателя с газовой связью

4.3.Центробежный компрессор

4.3.1.Устройство центробежных компрессоров

Центробежные компрессоры получили наибольшее распространение

для наддува двигателей внутреннего сгорания. Центробежный компрессор относится к лопаточным машинам, принцип работы которых основан на динамическом взаимодействии высокоскоростного потока газа с лопатками рабочего колеса и лопатками неподвижных элементов машины. По сравнению с объемными лопаточные компрессоры более компактны и относительно просты по конструкции,

Центробежный компрессор (рис. 4.2) включает входное устройство 6, рабочее колесо 2 (называемое также крыльчаткой), диффузор 3, состоящий из безлопаточной и лопаточной частей (последняя может отсутствовать), и

18

Рис. 4.2. Принципиальная схема одноступенчатого

центробежного компрессора

воздухосборник 5, часто выполняемый в виде улитки. Воздух через фильтр поступает во входное устройство, суживающееся по направлению движения воздуха, что способствует устойчивости потока. Входное устройство должно обеспечивать равномерный подвод воздуха к колесу при минимальных потерях. Рабочее колесо установлено на шлицах или, в случае малых размеров, на гладком валу, связанном механической передачей с коленчатым валом двигателя или непосредственно с рабочим колесом газовой турбины.

Кинетическая и потенциальная (давление) энергия сообщается воздуху в рабочем колесе. Кинетическая энергия на выходе колеса составляет обычно около половины общей энергии потока, поэтому для превращения ее в энергию давления за рабочим колесом устанавливают диффузор. При движении воздуха в диффузоре вследствие непрерывного увеличения площади проходного сечения скорость потока падает, а давление возрастает. Возникающие при этом потери составляют значительную долю общих потерь в компрессоре. При наличии в диффузоре лопаток 4 в компрессоре потери меньше, чем при диффузоре без лопаток. Воздух, выходящий по окружности из диффузора, собирается в воздухосборнике и из него направляется во впускные трубопроводы двигателя. Воздухосборник, в зависимости от общей компоновки двигателя, может иметь один или несколько выходных патрубков.

Основными параметрами, характеризующими работу центробежного компрессора, являются расход воздуха через компрессор, степень повышения давления и КПД компрессора. Применяемые в настоящее время для наддува двигателей внутреннего сгорания центробежные компрессоры имеют весьма широкий диапазон изменения этих

19