- •Институт водного транспорта
- •Курсовая работа
- •Пояснительная записка
- •Расчёт энергетического баланса поршневой части, компрессора и турбины агрегата наддува
- •Газодинамический расчет и профилирование рабочего колеса центробежного компрессора.
- •Газодинамический расчёт центробежного компрессора
- •Расчет компрессора осуществляется в следующей последовательности.
- •Расчет и профилирование рабочего колеса компрессора.
- •Температура, давление и плотность воздуха:
- •Профилирование одноступенчатого рабочего колеса компрессора
- •Расчёт диффузора
- •Расчёт воздухосборной улитки
- •Тепловой расчёт одноступенчатой газовой турбины осевого типа.
- •Список используемых источников
Расчёт энергетического баланса поршневой части, компрессора и турбины агрегата наддува
Рисунок 1
Цель расчета – определение исходных данных для вычисления основных размеров и профилирования компрессора и турбины, обеспечивающих необходимое снабжение воздухом поршневой части двигателя на номинальном режиме.
Энергетический баланс турбины и компрессора агрегата наддува комбинированного двигателя представляет собой равенство мощностей получаемых в турбине при использовании энергии отработавших газов и расходуемой в компрессоре для обеспечения необходимого повышения давления на впуске в цилиндры. Мощность, развиваемая турбиной, зависит от количества отработавших газов и их температуры,
а мощность, потребляемая компрессором – от заданного давления наддува и расхода воздуха, соответствующего установленному коэффициенту избытка воздуха.
Исходные данные, используемые при расчете, можно разделить на две группы.
Основные характеристики двигателя:
мощность Ne, кВт;
частота вращения коленчатого вала n, об/мин;
диаметр цилиндра D, мм;
ход поршня S, мм;
число цилиндров i;
среднее эффективное давление pe, МПа;
давление наддува pk, МПа.
Параметры окружающей среды:
давление p0, МПа;
температура Т0, К.
Расчет выполняется в следующей последовательности.
Выбирается марка топлива для двигателя и по его химическому составу рассчитывается теоретически необходимое количество воздуха для сгорания
1 кг топлива М1 кмоль/кг.
Низшая теплота сгорания топлива (по формуле Д.И. Менделеева):
где C; H; O; S массовые доли химических элементов, содержащихся в 1 кг топлива, приведенные в табл. 4.1; rw = 2,512 МДж/кг удельная теплота парообразования воды; W = 0 – влагосодержание в топливе.
Таблица 3.
Химический состав топлив нефтяного происхождения
Химический элемент |
С |
Н |
O |
S |
Дизельное топливо |
0,83 – 0,87 |
0,11 – 0,14 |
до 0,005 |
до 0,005 |
Бензины |
0,855 |
0,145 |
- |
- |
Теоретически необходимое количество воздуха, достаточное для полного сгорания 1 кг топлива
Для проектируемого двигателя выбирается коэффициент избытка воздуха , который составляет:
= 1,5...1,6 для двигателей, имеющих разделенную камеру сгорания;
= 1,7...1,8 для двигателей, имеющих полуразделенную камеру
сгорания;
= 1,8...2,2 для двигателей, имеющих неразделенную камеру сгорания.
Определяется количество воздуха, действительно поступившее в цилиндр:
Где, ψ_п =1,15 + 0,75 ∙p_k - коэффициент продувки для дизелей. Для бензиновых двигателей п 1.
Определяется количество продуктов сгорания:
где изменение количества объема горючей смеси в результате сгорания.
По заданному среднему эффективному давлению определяются эффективный КПД двигателя и удельный эффективный расход топлива:
где k– плотность воздушного заряда; v - коэффициент наполнения.
Коэффициент наполнения зависит от условий работы двигателя: частоты вращения, нагрузки, давления наддува и т. д. В то время как у
двигателей без наддува v = 0,75…0,85; у двигателей с наддувом v
= 0,90…1,15. Коэффициент наполнения при работе с наддувом повышается вследствие лучшей очистки камеры сгорания и меньшего подогрева воздушного заряда. Коэффициенты наполнения больше единицы характерны для систем газотурбинного наддува с глубоким охлаждением наддувочного воздуха.
Определяется требуемый расход воздуха через компрессор:
где в = 28,97 кг/кмоль относительная молекулярная масса воздуха;
Определяется работа адиабатного сжатия 1 кг воздуха атмосферного давления до давления наддува:
где - степень повышения давления; -показатель адиобаты
для воздуха; Rв = 0,287 кДж/(кгК) - газовая постоянная воздуха; T0 -
температура окружающей среды; Т0 = 290…310 К;
Задается адиабатный КПД компрессора, учитывающий отличие действительно затрачиваемой работы в компрессоре, сопровождающейся потерями на трение и теплообменом, от адиабатной работы сжатия:
Адиабатный КПД выбирается из пределов:
=0,7...0,78 – для компрессоров с безлопаточным
диффузором;
=0,75...0,84 – для компрессоров с лопаточным диффузором.
Действительная удельная работа сжатия воздуха в компрессоре:
Определяется мощность, необходимая на привод компрессора:
Определяется необходимая мощность турбины. При газотурбинном наддуве агрегат наддува кинематически не связан с валом двигателя. Связь между поршневой частью и турбокомпрессором осуществляется по газовым трактам, поэтому мощность необходимая для привода компрессора должна полностью вырабатываться турбиной. С учетом механических потерь мощность турбины рассчитывается по формуле:
где, – механический КПД турбокомпрессора
Определяется расход отработавших газов через турбину
где |r в =28,97 кг/кмоль–относительная молекулярная масса отработавших газов.
11. Определяется удельная работа адиабатного расширения отработавших газов в турбине.
В тех случаях, когда степень понижения давления в турбине т т неизвестна,
где ат. т. = 0,72...0,82 – адиабатный КПД турбины.
Рассчитанная удельная работа адиабатного расширения должна составлять около 300 кДж/кг. Такая работа соответствует угловым скоростям рабочего колеса турбины допустимым по условию прочности. При работе выше 300 кДж/кг к материалам рабочих колес предъявляются дополнительные требования, кроме того, при таких удельных работах в проточной части турбины появляются сверхзвуковые скорости течения потока газов, и как следствие, снижение КПД турбины. Если необходимо достичь высоких КПД турбины, то удельная адиабатная работа расширения в турбине не должна превышать 250 кДж/кг.
Определяется давление газов перед турбиной из условия
равенства мощностей турбины и компрессора Nk = Nт
где = 0,104...0,108 МПа – давление газов за турбиной, несколько превышающее атмосферное давление; Rr = 289 Дж/(кг*К) – газовая постоянная отработавших газов; Tr = 800...1000 K – температура отработавших газов.
Величина давления P0 определяется наличием в выпускной системе глушителей, искрогасителей и т. д. Необходимо учитывать, что повышение противодавления в выпускной системе затрудняет процессы газообмена и, следовательно, отрицательно сказывается на показателях рабочего цикла двигателя.