2157

Практическая работа № 6

РАСЧЕТ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ

ИТУРБОКОМПРЕССОРА

6.1.Цели и задачи работы

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

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

6.2. Расчет центробежного компрессора

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).

1. Требуемое массовое количество воздуха для двигателя (кг/с)

определяется из выражения [1]:

где – коэффициент избытка воздуха (1,6 − 2,0) для дизеля; L0 – теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1кг топлива (14,5 кг); ge – удельный расход топлива, кг/(кВт ч) (0,18 − 0,22); Ne – мощность двигателя, кВт; – коэффициент продувки (1,1 − 1,2).

2. С учетом выбранного числа компрессоров ik необходимая подача воздуха одним компрессором находится по формуле

3. Определяем среднее эффективное давление Ре. Для четырех-

тактного двигателя эффективная мощность находится выражением

где Vh – рабочий объем цилиндра, л ; i – число цилиндров; n – частота

64

вращения коленчатого вала, мин-1.

После преобразования выражения (6.3) получим

Pe Ne 120 .

Vh i n

4. Величину давления воздуха на выходе из компрессора и сте-

пень повышения давления для четырехтактных двигателей определяем из соотношений

где Ро – давление на входе в компрессор (атмосферное давление).

5. Вычисляем окружную скорость на выходе из колеса компрессора

где La – адиабатная работа сжатия; ηнап – напорный адиабатный КПД (0,6 − 0,75), характеризует способность колеса создавать напор.

6. Общую удельную работу (Дж/кг) при адиабатическом сжатии находим из выражения

где ср= 1005 Дж/(кг·К) – удельная массовая изобарная теплоемкость воздуха; Та= 293 К – температура на входе в компрессор, k 1,4 – показатель адиабаты для воздуха.

7. Зная окружную скорость и наружный диаметр колеса, находим

частоту вращения вала колеса компрессора из формулы

8. Действительную удельную работу, затраченную на всасыва-

ние, сжатие и нагнетание воздуха в компрессоре, адиабатный КПД рассчитываем по формуле

9. Давление в каналах компрессора вычисляем по изменению температуры, которая определяется в результате торможения газа по формуле или методом подбора

65

где С – скорость газа, м/с.

10. Определив температуру, находим давление по формуле

где n – показатель политропы сжатия.

11. Мощность компрессора (работа за единицу времени)

6.3. Расчёт радиально-осевой турбины

Исходными данными для расчета турбины являются данные теплового расчета двигателя и расчетные данные компрессора [1]. Тур-

бина должна обеспечить необходимую частоту вращения компрессора и его мощность.

1. Расход газа через турбину примерно на 3 % больше расхода воздуха через компрессор

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 частоте вра-

щения колеса турбины nK nT . Так как колесо турбины и колесо компрессора закреплены на одном валу, то их мощности равны друг

66

4. Если всю энергию отработавших газов преобразовать в скорость на выходе из соплового аппарата, то адиабатная скорость САД будет равна

Расчет завершается при равенстве мощности турбины и компрессора (допускается расхождение не более 5 %).

6.4. Расчет совместной работы двигателя и турбокомпрессора

В качестве базовой была принята программа совместной работы двигателя и турбокомпрессора, разработанная в МАДИ.

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, то 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, определяющейся точностью расчетов.

На рис. 6.1 показана панель ввода исходных данных для программы расчета двигателей типа КамАЗ, Д-440, ЗИЛ-5301, совместно

67

работающих с агрегатами наддува. Программа позволяет результаты расчета преобразовать в виде графиков.

Рис. 6.1. Ввод исходных данных для двигателя Д-440, оборудованного турбокомпрессором ТКР- 8

Экономические и экологические показатели дизеля зависят от величины и характеристики подачи топлива, согласованного движения воздушного вихря в камере сгорания и струи распыленного топлива.

чество топлива за впрыск или цикловая подача (мм3/цикл) определится выражением

Nе – эффективная номинальная мощность, 80 кВт; i – число цилиндров 4; nн – частота вращения вала насоса, 875 мин-1; ρТ – плотность топлива 0,85 г/см3, или 850 кг/м3.

В качестве исходной характеристики дизеля для расчёта берётся внешняя скоростная характеристика, а именно изменение крутящего

68

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 мах)

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

Среднее эффективное давление на требуемых режимах

Программа может быть рекомендована для проведения научных исследований, а также использоваться в учебном процессе в тех курсах, где требуется выполнить расчет и провести исследование совместной работы дизеля и турбокомпрессора.

69

6.5. Исходные данные, согласно заданию, для расчета являются

1 – число цилиндров; 2 – тип двигателя; 3 – степень сжатия; 4 наружный и внутренний диаметр колеса компрессора; 5 – значение крутящего момента по внешней скоростной характеристике; 6 – максимальное давление сгорания; 7 – форма лопаток компрессора (радиальные, загнутые назад); 8 – параметры холодильника (степень охлаждения); 9 – данные по регулированию турбины (перепуск газа).

В результате расчета дается приближенная информация о параметрах двигателя, компрессора, турбины. В табл. 6.2 приведены некоторые данные расчета совместной работы двигателя Д-440 (Алтайдизель) с турбокомпрессором ТКР-8, в которой последовательно указаны:

–изменение частоты вращения вала двигателя;

–среднее эффективное давление;

–цикловая подача топлива;

–коэффициент избытка воздуха;

–эффективная мощность двигателя;

–частота вращения колеса компрессора;

–адиабатный коэффициент полезного действия компрессора;

–давление на выходе из компрессора;

–температура на входе в турбину;

–мощность турбины.

Таблица 6.2

Характеристики двигателя, компрессора и турбины

70

Лабораторная работа № 7

ДИАГНОСТИКА ТУРБОКОМПРЕССОРА НА РАБОТАЮЩЕМ ДВИГАТЕЛЕ

7.1. Цели и задачи работы

Цель работы. Приобрести навыки диагностики агрегатов наддува на работающем двигателе.

Задачи работы. Изучить возможные неисправности и отказы турбокомпрессора на работающем двигателе. Привести способы устранения неисправностей турбокомпрессора и его систем с учетом состояния топливной аппаратуры и поршневой группы двигателя.

Оборудование. Двигатель с турбокомпрессором, компрессометр, дымомер.

7.2. Общие положения

Наддув двигателей внутреннего сгорания является одним из основных способов повышения его мощности. При помощи наддува повышается давление поступающего в цилиндры воздуха, его плотность, что позволяет больше подавать топлива в камеру сгорания. В современных двигателях получил наибольшее распространение газотурбинный наддув. Для согласования работы двигателя и турбокомпрессора применяют следующие основные системы автоматического регулирования:

–перепуск газа мимо турбины;

–поворот лопаток диффузора, соплового аппарата.

Для привода в действие данных систем используют механические

иэлектрические (электронные) устройства. Путем возврата части отработавших газов во впускную систему (рециркуляции) уменьшают токсичность газов в выпускной системе.

Системы подачи воздуха дизеля и топлива зависят друг от друга

ивлияют на качество процесса сгорания. При недостатке воздуха или увеличенной цикловой подаче топлива процесс сгорания ухудшается, что приводит к снижению мощности двигателя, увеличению расхода топлива и образованию сажи. Сажа, в виде черного дыма, выбрасывается из системы выпуска.

72