7 Расчет турбокомпрессора

Турбокомпрессор служит для это устройство, использующее отработавшие газы (выхлопные газы) для увеличения давления внутри камеры сгорания. В автомобильных двигателях наибольшее применение получили турбокомпрессоры с центростремительной турбиной и с осевой турбиной.

Рисунок 7.1 – Расчётная схема турбокомпрессора

Расчёт компрессора. Массовый расход воздуха через двигатель (кг/c) :

; (7.1)

где = 1 – коэффициент продувки;

Плотность воздуха на входе в компрессор:

; (7.2)

Объёмный расход воздуха через компрессор:

; (7.3)

Температура воздуха в сечении а_вх – а_вх:

; (7.4)

Давления воздуха в сечении а_вх – а_вх:

; (7.5)

где = 0,005 – потери давления на всасывания в компрессор, МПа.

Степень повышения давления воздуха в компрессоре:

; (7.6)

где = 0,17 – давление надувочного воздуха, МПа.

Номинальный базовый диаметр колеса турбокомпрессора ТКР−8,5: D₂ = 0,085 м = 85 мм.

Адиабатическая работа сжатия в компрессоре:

; (7.7)

Окружная скорость на наружном диаметре колеса компрессора:

; (7.8)

где = 0,6 – коэффициент напора.

Частота вращения колеса компрессора:

; (7.9)

Температура воздуха на входе в колесо компрессора:

; (7.10)

где = 40 – скорость воздуха во входном сечений, м/с;

где = 80 – абсолютная скорость потока перед колесом, м/с;

где = 1005 – теплоёмкость воздуха при постоянном давлений, Дж/(кг ⋅ К).

Потери в воздухоподводящем патрубке компрессора:

; (7.11)

где = 0,04 – коэффициент потерь для патрубков с осевых входов.

Показатель политропы на участке входа воздуха в компрессор определяем из выражения:

; (7.12)

откуда = 1,37.

Давление перед колесом компрессора:

; (7.13)

Плотность воздуха поперечного сечения:

; (7.14)

Площадь поперечного сечения:

; (7.15)

Диаметр рабочего колеса на входе в компрессор:

; (7.16)

где = 0,3 – отношение диаметра втулки колеса к его диаметру на входе.

Диаметр втулки рабочего колеса компрессора:

; (7.17)

Относительный диаметр втулки рабочего колеса:

; (7.18)

Относительный диаметр колеса на входе:

; (7.19)

Относительный средний диаметр на входе в колесо:

; (7.20)

Коэффициент мощности для осерадиальных колёс:

; (7.21)

где = 16 – число лопаток рабочего колеса компрессора.

Окружная составляющая абсолютной скорости на выходе из колеса:

; (7.22)

Радиальная составляющая абсолютной скорости:

; (7.23)

Абсолютная скорость воздуха на выходе из колеса:

; (7.24)

Температура воздуха на выходе из колеса:

; (7.25)

где = 0,05 – коэффициент дисковых потерь.

Показатель политры сжатия в рабочем колесе задаётся: = 1,5.

Давление воздуха на выходе из колеса:

; (7.26)

Плотность воздуха за рабочим колесом:

; (7.27)

Высота лопаток рабочего колеса на диаметре D₂

; (7.28)

Относительная высота лопаток в выходном сечений колеса:

; (7.29)

Относительная ширина колеса компрессора:

; (7.30)

где B = 0,033 – ширина колеса в компрессоре, м.

Ширина безлопастной части диффузора принимается равной высоте лопатки колеса на выходе:

; (7.31)

Наружный диаметр безлопаточного диффузора:

; (7.32)

где = 1,14 – относительный наружный диаметр безлопаточного диффузора.

Абсолютная скорость на выходе из безлопаточного диффузора:

; (7.33)

Отношение c₂/c₃ = 1,14 не превышает допустимых значений.

Давление за лопаточным диффузором:

; (7.34)

Показатель политропы сжатия в диффузорах принимаем = 1,7.

Температура воздуха за лопастным диффузором:

; (7.35)

Скорость воздуха на выходе из лопаточного диффузора:

; (7.36)

Наружный диаметр лопаточного диффузора находится в пределах D₄ = (1,35 – 1,7) ⋅ D₂. Принимаем D₄ = 1,4 ⋅ 0,085 = 0,120 м = 120 мм.

Ширина лопаточного диффузора на выходе:

; (7.37)

где = – угол раскрытия стенок лопаточного диффузора.

Скорость воздуха на выходе из воздухосборника:

(7.38)

Потери в воздухосборнике:

; (7.39)

где = 0,15 – коэффициент потерь в воздухосборнике.

Давление на выходе из улитки:

; (7.40)

Действительная степень повышения давления в компрессоре:

; (7.41)

Адиабатический КПД компрессора:

; (7.42)

Адиабатическая работа, определённая по действительной степени повышения давления:

; (7.43)

Мощность, затрачиваемая на привод компрессора:

; (7.44)

Расчёт турбины. Количество выпускаемых газов, поступивших на турбину от двигателя:

; (7.45)

Давление перед турбиной:

. (7.46)

Температура газа перед турбиной при :

; (7.47)

где − температура газа в выпускном патрубке; m = 1,43 – показатель политры расширения в процессе выпуска.

Показатель изоэнтропы .

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

; (7.48)

Газовая постоянная выпускных газов:

; (7.49)

Давление газа перед турбиной:

; (7.50)

Полная адиабатическая работа расширения газа в турбине:

; (7.51)

Адиабатическая работа расширения в направляющем аппарате:

; (7.52)

где − степень реактивности;

Абсолютная скорость газа перед рабочим колесом:

; (7.53)

где − коэффициент скорости;

Температура газа за направляющим аппаратом:

; (7.54)

Число Маха:

; (7.55)

Радиальная и окружная составляющие абсолютной скорости газа перед рабочим колесом:

; (7.56)

;

; (7.57)

где − угол выхода потока из направляющего аппарата;

Угол выхода потока из лопатки рабочего колеса:

; (7.58)

где − окружная скорость на наружном диаметре колеса;

Условная адиабатическая скорость истечения газа:

; (7.59)

Параметры быстроходности турбины:

; (7.60)

Относительная скорость потока перед колесом:

; (7.61)

Наружный диаметр рабочего колеса:

; (7.62)

Потери энергий в направляющем аппарате:

; (7.63)

Входной диаметр направляющего аппарата:

; (7.64)

Показатель политропы расширения в направляющем аппарате:

; (7.65)

Давление газа на выходе из направляющего аппарата:

; (7.66)

Плотность газового потока:

; (7.67)

Ширина лопаток направляющего аппарата:

; (7.68)

Адиабатическая работа расширения газа в колесе турбины:

; (7.69)

Относительная скорость газа на выходе из рабочего колеса:

; (7.70)

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

Окружная скорость на диаметре :

; (7.71)

Абсолютная скорость на выходе из колеса:

; (7.72)

Температура газа на выходе из колеса:

; (7.73)

где − коэффициент дисковых потерь;

Адиабатический КПД турбины без учёта потерь с выходной скоростью:

; (7.74)

Адиабатический КПД турбины с учёта потерь с выходной скоростью:

; (7.75)

Общий КПД турбины:

; (7.76)

КПД турбокомпрессора:

; (7.77)

Мощность, развиваемая турбиной:

; (7.78)