Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)»

Ю.П. Макушев

АГРЕГАТЫ НАДДУВА ДВИГАТЕЛЕЙ

Практикум

2-е издание, деривативное

+

Омск • 2019

Работа утверждена редакционно-издательским советом СибАДИ в качестве практикума.

Макушев, Юрий Петрович.

М15 Агрегаты наддува двигателей [Электронный ресурс] : практикум / Ю.П.

Макушев. – Омск : СибАДИ, 2019. – URL: http://bek.sibadi.org/cgi-bin/ irbis64r_plus/cgiirbis_64_ft.exe. - Режим доступа: для авторизованных пользователей.

Приведены указания для выполнения практических и лабораторных работ по курсу «Агрегаты наддува двигателей». Дана методика расчета центробежного компрессора и центростремительной турбины, приведены программа расчета совместной работы турбокомпрессора и двигателя, методика расчета автоматических систем регулирования турбины с перепуском газа и поворотом лопаток соплового аппарата.

Описаны способы измерения давления, скорости, расхода газа, приведена схема стенда для испытания и диагностирования компрессора и турбины.

Имеет интерактивное оглавление в виде закладок.

Предназначен для бакалавров и магистров всех форм обучения направления подготовки «Энергетическое машиностроение» профиля «Двигатели внутреннего сгорания» и может быть полезен инженерам и аспирантам.

Подготовлен на кафедре «Тепловые двигатели и автотракторное электрооборудование».

Текстовое (символьное) издание (7,6 МБ)

Системные требования : Intel, 3,4 GHz ; 150 МБ ; Windows XP/Vista/7 ; DVD-ROM ;1 ГБ свободного места на жестком диске ;

программа для чтения pdf-файлов : Adobe Acrobat Reader ; Foxit Reader

Редактор И.Г. Кузнецова Техническая подготовка Н.В. Кенжалинова

Издание второе, деривативное. Дата подписания к использованию 22.02.2019 Издательско-полиграфический комплекс СибАДИ. 644080, г. Омск, пр. Мира, 5 РИО ИПК СибАДИ. 644080, г. Омск, ул. 2-я Поселковая, 1

© ФГБОУ ВО «СибАДИ», 2019

ВВЕДЕНИЕ

Эффективное использование рабочего объема двигателей внутреннего сгорания можно достичь путем увеличения плотности заряда, применяя наддув воздуха и увеличение подачи топлива.

Для повышения давления воздуха на впуске применяются объемные и центробежные компрессоры. Повышение давления в цилиндре поршневого компрессора происходит путем сближения молекул, что достигается уменьшением объема замкнутого пространства или преобразованием кинетической энергии в энергию давления в диффузорах центробежных компрессоров. Сжатие газа динамическим способом является основным принципом турбокомпрессорных машин. Турбокомпрессор (от лат. turbo – вихрь) – центробежный или осевой лопаточный компрессор для сжатия и подачи воздуха (газа). Характерная особенность этих машин – непрерывность процессов всасывания, сжатия и подачи газа.

Турбокомпрессор любого типа состоит из вращающегося лопаточного аппарата – рабочего колеса, в котором от внешнего источника (двигателя, турбины, электродвигателя) рабочему телу (газу) сообщается энергия. Неподвижные аппараты (диффузоры, спиральные камеры) предназначены для изменения величины и направления скорости потока и давления. Сжатие газа в каналах рабочего колеса происходит в результате силового воздействия лопаток на поток газа.

Практикум составлен в соответствии с программой курса «Агрегаты наддува двигателей» и включает в себя описание последовательности выполнения четырех лабораторных и трёх практических работ. В первой и во второй работах приведены методика экспериментального определения скорости, расхода, давлений газа и устройство стенда для испытания и диагностики турбокомпрессоров. В лабораторных и практических работах рассматриваются устройство, принцип действия и расчет центробежного компрессора, центростремительной турбины, испытание систем автоматического регулирования.

В результате выполнения лабораторных и практических работ студент приобретет навыки по определению скорости потока, расхода газа, расчета центробежного компрессора и центростремительной турбины, испытанию и диагностике турбокомпрессоров.

3

Лабораторная работа № 1

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ, СКОРОСТИ И РАСХОДА ВОЗДУХА ПНЕВМОМЕТРИЧЕСКИМИ ТРУБКАМИ

1.1. Цели и задачи лабораторной работы

Цели лабораторной работы: формирование и закрепление знаний по разделу курса «Стенды для испытания турбокомпрессоров».

Задачи: изучить методику измерения давлений, скорости и расхода воздуха пневмометрическими трубками в воздуховоде.

Оборудование: установка для подачи воздуха, расходомер, трубки Пито–Прандтля.

1.2. Вводная часть

Среди применяющихся на практике различных методов определения скоростей и давлений наибольшее значение в экспериментальной аэродинамике имеет пневматический способ, основанный на измерении давления в определенных точках поверхности, внесённых в поток измерительных приборов. Такие приборы называются насадками или зондами. Теория пневмометрических трубок для измерения скоростей основана на использовании уравнения Бернулли [1].

Если в некоторой точке потока необходимо знать значение скорости, то в эту точку потока устанавливают продольно обтекаемую трубку (рис. 1.1). Нулевая линия в точке А образует так называемую критическую точку (точку заторможенного потока), в которой скорость потока равна нулю, а давление максимально. В последующих точках по поверхности трубки скорость будет расти и затем вновь падать (см. рис. 1.1), достигнув на некотором удалении от носика трубки скорости на бесконечности, т. е. скорости, которая была бы в этом месте при отсутствии трубки или скорости в невозмущённом потоке (практически на удалении трех диаметров трубы от мерной трубки – сечение 1-1).

Уравнение Бернулли при течении несжимаемого невязкого газа для двух сечений 1-1 и 0-0 нулевой линии тока (с0= 0) имеет вид

p1* p1 c12/2 p0* p0 c02/2 p0

4

Из уравнения (1.1) определяется скорость потока (м/с):

Полное давление р* может быть определено, если в критической точке А (см. рис. 1.1) сделать отверстие и тонкой трубкой соединить его с микроманометром или U-образным манометром. Статическое давление р, определяют с помощью щели или нескольких отверстий, размещенных в сечении 2-2, где скорость вновь приобретает значение с =с1 . Отверстия в сечении 2-2 называют статическими, так как они служат для измерения статического давления р. В формуле (1.2) величина ρ является плотностью воздуха.

Для увеличения точности измерений обычно сразу определяют разность полного и статического давлений, т. е. динамическое давление рдин = р* – р по разности уровней мерной жидкости в U-образном манометре. Связь между высотой столба мерной жидкости (ртути, спирта, воды) h (м) и давлением р (Па) устанавливается соотношением

5

где g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения.

Для воды плотность ж = 1000 кг/м3. Если высоту столба взять в мм (для этого нужно числитель умножить на 1000; для сохранения равенства (1.3) нужно и знаменатель умножить на 1000), то связь высоты столба воды в мм с создаваемым им давлением в Па опреде-

где 9,81 – коэффициент перевода давления, выраженного в мм водяного столба, в паскали (1мм вод. столба = 9,81 Па).

Если в выражении (1.2) динамическое давление выразить через динамический напор hдин (разность уровней воды в U-образном манометре) в мм по формуле (1.4), то уравнение (1.3) для скорости примет вид

Впервые трубки, изогнутые под углом 90о, были применены в 1732 г. французским учёным Пито для измерения скорости потока воды в реке. Поэтому трубки, имеющие лишь одно отверстие в критической точке, т. е. трубки для измерения полного давления (напора), называют трубками Пито. Трубки, имеющие отверстия в критической точке и статические отверстия, иногда называют трубками ПитоПрандтля (см. рис. 1.1).

Конструктивные варианты комбинированных трубок (зондов) для измерения давления заторможенного потока р* и статического давления р представлены на рис. 1.2: а – продольно обтекаемые трубчатые (иглообразные) приёмники; б – зонд с протоком и дренажными щелями; в – зонд с игольчатым приёмником статического давления. Зонд с протоком менее чувствителен к скосу потока (несовпадению оси трубки с вектором скорости) и требуется меньшее отверстие в трубе для его установки. Зонд с игольчатым приёмником статического давления используется при исследовании сверхзвуковых потоков.

При течении газа с большой скоростью его плотность изменяется и для расчета скорости надо пользоваться формулой Сен-Венана

6

где k – показатель адиабаты (для воздуха k = 1,4).

Рис. 1.2. Виды комбинированных трубок (зондов) для измерения полного и статического давлений

При скоростях менее 70 м/с можно пользоваться формулой (1.2), погрешность при этом не превышает 1%.

Для измерения малых давлений используются микроманометры с наклонной трубкой (микроманометры Креля). Наклон измерительной трубки сделан для увеличения точности отсчёта. С этой же целью в прибор заливают спирт этиловый или ректификат с малой плотностью. В приборах с наклонной трубкой длина столбика спирта связана с пьезометрической высотой соотношением hc lsin , где α – угол наклона трубки к горизонту. Перевод пьезометрической высоты спирта hc в высоту водяного столба производится по формуле

h hc c / вод ( c / вод ) lsin K l . (1.7)

Значения коэффициента K ( c / вод )sin указываются на стойке кронштейна микроманометра, против соответствующих углов установки трубки.

Для измерения расхода воздуха необходимо определить среднюю скорость потока по формуле

7

ccp 1A cdA 1A ci Ai ,

где сi – средняя скорость в элементе сечения площадью Ai.

Для упрощения расчетов все сечение А разбивается на равновеликие площадки площадью Ai = A/n, где n – число площадок. Тогда

Если сечение прямоугольной формы, то задача решается просто путем деления площади на n равновеликих прямоугольников, в центре которых и измеряются скорости сi .

В случае трубы круглого сечения необходимо разбить площадь поперечного сечения трубы на равновеликие кольца и определить скорости в средней части равновеликих колец. Радиусы центральных окружностей, делящих равновеликие кольца пополам, определяют по формуле

где ro – радиус трубы, мм; i = 1, 2, ..; n – номер равновеликого кольца. В табл. 1.1 представлены радиусы ri десяти (п = 10) равновеликих колец, подсчитанные по формуле (1.9), для трубы с внутренним ра-

диусом ro = 40 мм.

Если измерить скорости сi на радиусах ri, то по формуле (1.8) можно найти сср. Однако точно установить измерительный зонд в центрах равновеликих колец в процессе эксперимента весьма затруднительно. Обычно скорости измеряются через равные интервалы по всему диаметру трубы и затем строится эпюра скоростей, из неё выбираются скорости сi, лежащие на радиусах ri равновеликих колец.

Различают объёмный и массовый расходы газа (жидкости), проходящего через поперечное сечение трубы. Объёмный расход жидкости определяют как отношение объёма жидкости, прошедшей

8

через трубу за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени (м3/с):

Объёмный расход численно равен объёму вещества, протекающего через поперечное сечение трубы за единицу времени.

Массовый расход газа определяют как отношение массы газа, прошедшего через трубу за некоторый промежуток времени, к этому

где – плотность газа, кг/м3.

Массовый расход численно равен массе вещества, протекающего через поперечное сечение трубы за единицу времени.

Для получения сравнимых результатов измерений объемный расход газа приводят к нормальным (стандартным) условиям по формуле

где ρн = рн /(RTн) – плотность газа при нормальных (стандартных) ус-

ловиях: рн = 760 мм рт. ст. = 101325 Па; Тн = 293 К (20 °С).

Для воздуха удельная газовая постоянная R = 287 Дж/(кг.К) и

ρн = рн /(RTн) =101325/(287 293) =1,205 кг/м3.

1.3.Описание лабораторной установки

Влабораторной работе расход воздуха определяется в трубе круглого поперечного сечения. Схема установки приведена на рис. 1.3. Установка с трубой круглого сечения диаметром 8 см состо-

ит из вентилятора 1, который подаёт воздух в трубу 2 объемом примерно 55 м3/ч при открытой заслонке 3.

Динамический напор в различных точках диаметра трубы измеряется с помощью спиртового микроманометра Креля 4, соединённого плюсовым патрубком с трубкой Пито 5 и минусовым – с трубкой статического давления 6. Статический напор измеряется водяным U-образным манометром 7. Атмосферное (барометрическое) давление измеряется барометром 8, а температура воздуха в трубе – термомет-

9

ром 9. Изменение положения заслонки 3 вызывает изменение скорости воздуха в трубе и, следовательно, перепада давления на диафрагме 11, который фиксируется прибором КСД-3 10.

Рис. 1. 3. Схема установки для измерения скорости и расхода воздуха с помощью пневмометрических трубок:

1 – вентилятор; 2 – труба; 3 – заслонка; 4 – микроманометр Креля; 5 – трубка Пито; 6 – трубка статического давления; 7 – U-образный манометр; 8 – барометр; 9 – термометр; 10 – КСД-3; 11 – диафрагма; 12 – указатель направления

1.4. Порядок выполнения работы

Работа выполняется в следующей последовательности:

1. Ознакомиться с приборами и устройством лабораторной установки. Установить микроманометр Креля с помощью регулировочных винтов в горизонтальной плоскости. Наклонную трубку микроманометра опустить в крайнее нижнее положение до отметки

(К = 0,2).

2.Включить вентилятор и, вращая заслонку 3, установить стрелку прибора КСД-3 на первом делении (всего шесть делений). Полностью опустить трубку Пито 5 в трубу 2 до упора (следить за точностью установки зонда вдоль оси трубы по указателю направления 12).

3.Произвести следующие измерения при данном положении заслонки (стрелка КСД-3 установлена на первом делении):

а) динамического напора – по длине столбика спирта lcп в трубке

10