Таблица 2.1

Параметры турбокомпрессоров предприятия «Воронежский механический завод»

Компрессор

Содержание отчета:

1.Название работы.

2.Цель и задачи работы.

3.Результаты расчета (согласно варианту) центробежного компрессора с радиальными лопатками.

4.Результаты расчета (согласно варианту) радиально-осевой турбины.

5.Выводы по работе.

Контрольные вопросы и задания

1.Поясните принцип работы системы с газотурбинным наддувом.

2.Что называют степенью повышения давления в компрессоре?

3.Укажите порядок выбора прототипа турбокомпрессора.

4.Как изменяются скорость, температура и давление в проточной части компрессора?

5.Для какой цели в улитке компрессора служат расширяющие каналы?

6.Поясните порядок расчета центростремительной турбины.

71

Практическая работа № 3

РАСЧЕТ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ И ТУРБОКОМПРЕССОРА С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭВМ

3.1. Цель и задача работы

Цель работы: приобрести навыки расчета с применением ЭВМ (персонального компьютера) совместной работы двигателя и турбокомпрессора.

Задача работы: выполнить расчет двигателя 4ЧН 13/14 мощностью 80 кВт при частоте вращения коленчатого вала 1750 мин-1.

3.2. Основные исходные данные центробежного компрессора и радиально-осевой турбины

При расчете компрессора с известными размерами определяют требуемое количество воздуха для двигателя, подачу воздуха одним компрессором (если их несколько), степень повышения давления, частоту вращения, общую работу, затраченную на впуск, сжатие и нагнетание воздуха, изменение температуры и давления в каналах и коэффициент полезного действия (КПД).

Исходными данными для расчета турбины являются результаты теплового расчета двигателя и расчетные данные компрессора. Турбина должна обеспечить необходимую частоту вращения колеса компрессора и его мощность.

Наружный диаметр колеса турбины принимаем равным диа-

метру колеса компрессора: D1T D2K . Поэтому окружные скорости на входе в колесо турбины и выходе из колеса компрессора будут равны: U1T U2K . Частота вращения колеса компрессора равна час-

тоте вращения колеса турбины: nК = nТ. Так как колесо турбины и колесо компрессора закреплены на одном валу, их мощности равны друг другу: NT NK .

Из результатов расчета компрессора имеем следующие исход-

ные данные: nк (мин -1); Lад (Дж/кг); ηад; Мк (кг/с); D2К .

Для выпускных газов принимаем: k =1,34; R =286,4 Дж/(кг·К); cp 1128,7Дж/ кг К ; плотность газа 0,33 кг/м3 при 800 оС.

Температура газов перед турбиной T0 850 950K и давление газов на входе в турбину PT PK , за турбиной 2 0,11 0,12МПа .

72

Основные формулы для расчета компрессора и турбины с применением ЭВМ приведены в практической работе № 2.

3.3.Расчет на ЭВМ совместной работы двигателя

итурбокомпрессора

Расчёт совместной работы двигателя и турбокомпрессора выполняется с использованием программы, предложенной в работе [5].

Программа расчёта совместной работы дизеля и турбокомпрессора требует проведения большого количества математических вычислений. Изменение одного входного параметра приводит к полному перерасчёту работы турбокомпрессора, а следовательно, и новым временным затратам. Получить качественный и надёжный расчёт характеристик совместной работы дизеля и турбокомпрессора невозможно без использования современной вычислительной техники.

Программа расчёта совместной работы дизеля и турбокомпрессора написана на языке Delphi. Программа универсальна и позволяет рассчитывать совместную работу различных дизелей с агрегатами наддува. Программа является моделью совместной работы дизеля и турбокомпрессора и отражает реальные процессы, протекающие в системе «дизель – турбокомпрессор». Поскольку входные параметры легко изменяются, можно смоделировать оптимальную по производительности и наивысшему КПД систему «двигатель – турбокомпрессор».

Внутренний цикл является итерационным и выполняется столько раз, сколько необходимо для достижения указанной точности, но не более 20 раз. В этом цикле выполняется расчет режима совместной работы, использующий методы последовательных приближений, основанные на ориентировочном задании частоты вращения ротора и ряда показателей работы дизеля и турбокомпрессора. После вычисления мощностей компрессора и турбины NК и NТ уточняется значение частоты вращения nк. Уточняются также значения остальных задаваемых параметров. Далее расчет повторяется при новом значении nк до тех пор, пока разница между NК и NТ не станет меньше заданной величины, определяющей точность расчетов.

На рис. 3.1 показана панель ввода исходных данных для программы расчета двигателей типов КамАЗ, Д-440, ЗИЛ-5301, совместно работающих с агрегатами наддува. Программа позволяет результаты расчета преобразовать в виде графиков.

73

момента в зависимости от частоты вращения вала Мк = f(n), которая зависит от назначения двигателя и запаса крутящего момента

(1,1 – 1,2).

Форма кривой крутящего момента зависит от коэффициента запаса крутящего момента на режиме максимального крутящего момента Мк mах :

Исходным для расчёта является значение эффективной мощности на номинальном режиме работы Nе ном.

Крутящий момент на номинальном режиме

где Мкi – текущее значение крутящего момента; пi – частота вращения коленчатого вала, мин– 1.

где Vh – рабочий объём цилиндра.

Vh = π D2·S/4 = 3,14·0,132·0,14 = 0,00185 м3 = 1,85 л.

Значения Мкi, Nеi и реi для различных режимов сведены в табл. 3.1. Программа может быть рекомендована для проведения научных исследований, а также использоваться в учебном процессе, где требуется выполнить расчет и провести исследование совместной работы

дизеля и турбокомпрессора.

75

Таблица 3.2

Характеристики двигателя, компрессора и турбины

Содержание отчета:

1.Название работы.

2.Цель и задачи работы.

3.Написать основные расчетные формулы для подготовки исходных данных и заполнения табл. 3.1.

4.Результаты расчета совместной работы двигателя компрессора и турбины (см. табл. 3.2).

5.Выводы по работе.

Контрольные вопросы и задания

1.Для какой цели применяют программы расчета совместной работы двигателя и системы наддува с применением ЭВМ?

2.Какие основные формулы необходимы для подготовки исходных данных для расчета?

3.Напишите основные формулы, используемые для расчета центробежного компрессора и турбины.

4.Какие параметры двигателя и турбокомпрессора определяются и анализируются в результате расчета?

77

Библиографический список

1.Газовая динамика и агрегаты наддува : методические указания к лабораторным работам по газовой динамике и агрегатам наддува для специальности 280440 «Двигатели внутреннего сгорания» / сост. : В.В. Рындин, Ю.П. Макушев.

–Павлодар, 2007. – 63 с.

2.Макушев, Ю.П. Системы подачи топлива и воздуха дизелей : учебное пособие / Ю.П. Макушев, А.П. Жигадло, Л.Ю. Волкова. – Омск : СибАДИ, 2017. – 208 с.

3.Агрегаты наддува двигателей : методические указания к лабораторным и практическим работам по курсу «Агрегаты наддува двигателей» профиля подготовки «Двигатели внутреннего сгорания» / сост. : Ю.П. Макушев, В.В. Рындин, Д.В. Худяков. – Омск : СибАДИ, 2013. – 84 с.

4.Гаврилов, А.А. Агрегаты наддува : курс лекций по дисциплине «Агрегаты наддува» для студентов ВлГУ, обучающихся по направлению 13.03.03 «Энергетическое машиностроение» / А.А. Гаврилов. – Владимир, 2016. – 133 с.

5.Макушев, Ю.П. Программа расчёта двигателя с газотурбинным наддувом/ Ю.П. Макушев, Т.И. Третьякова, Т.М. Салий // Энергосберегающие технологии Прииртышья : сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф. – Павлодар : Изд-во Павлодарского университета, 2001. – С. 230 – 238.

78

Приложение

Степень повышения давления в компрессоре есть отношение полного (абсолютного) давления на выходе из компрессора к давлению на входе: πк = Рк / Ро. С увеличением массового расхода Мк в каналах компрессора (при постоянной частоте вращения вала компрессора n) скорость воздуха и потери давления повышаются, что приводит к снижению Рк и πк. Зависимость πк от Мк снижается для различных n.

Значение адиабатного КПД компрессора ηад определяют как отношение адиабатной работы сжатия воздуха к действительной работе при n = const. Величина ηад достигает наибольших значений при определенном расходе воздуха. Всякое отклонение от этого оптимального режима сопровождается увеличением гидравлических потерь и снижением ηад. Нормальная характеристика выражает (рис. П.1) зависимость πк, ηад от массового секундного расхода Мк при различных частотах [3].

Рис. П.1. Нормальная характеристика центробежного компрессора

79

Продолжение приложения

Эту характеристику строят по результатам испытаний компрессора на специальной установке. Обычно значения ηад при помощи секущих плоскостей переносят на характеристику πк от Мк (смотрите точки переноса 1/, 2/, 3/, 4/ при помощи пунктирных линий). Это позволяет определить область максимального КПД, что важно при выборе компрессора для двигателя. При выборе компрессора для двигателя конкретной мощности значения πк и Мк должны лежать в области максимального значения ηад.

Колеса компрессора и турбины жестко располагаются на одном валу. Вал вращается в подшипниках скольжения, которые закреплены в корпусе турбокомпрессора. Массовый расход воздуха через компрессор Мк примерно равен массовому расходу выпускных (отработавших) газов через турбину МТ. Частота вращения колеса компрессора nк равна частоте вращения колеса турбины nТ. Мощность компрессора Nк одинакова с мощностью турбины NТ. Данная связь между компрессором и турбиной упрощает их расчет и представление совместных характеристик.

Анализ опытных данных показывает, что при изменении нагрузки противодавление за турбиной не изменяется. Тогда расходную характеристику турбины можно представить как зависимость степени понижения (расширения) давления в турбине πТ, температуры газа перед турбиной Т*Т от расхода газа МТ. Для удобства последующего согласования характеристик турбины и компрессора на поле расходной характеристики турбины необходимо нанести линии постоянных частот вращения. В процессе испытаний температуру перед турбиной Т*Т поддерживают постоянной (например, 600, 700, 800, 900 К).

Для согласования характеристик двигателя и турбокомпрессора вначале совмещают характеристику турбины и компрессора (рис. П.2). Для этого на характеристику компрессора наносят линии постоянных температур (изотерм Т*Т = const). Например, из точки пересечения линии постоянных частот вращения n1Т с линией постоянных температур газа Т*4Т (изотермой) восстанавливают перпендикуляр до пересечения с линией постоянных частот на характеристике

компрессора n1к. Аналогично поступают для других частот вращения турбины и компрессора. Соединив точки одинаковых величин температуры, получают поле изотерм на характеристике компрессора. Точки пересечения изотерм с линиями постоянных частот компрессора

80