I. Обоснование и расчет агрегатов наддува.

1. Мощность и расход воздуха двигателя.

кВт

Расход воздуха.

Расход воздуха в двигателе необходимо проверить и через расход топлива:

G_в= g_eN_eα_ΣL’_o/3600

α_Σ=αφ_a=2,3*1,25=2,875- суммарный коэффициент избытка воздуха

α=2,3- коэффициент избытка воздуха

φ_a=1,25- коэффициент продувки

g_e=0,1778 кг/кВт*ч- удельный эффективный расход топлива

L’_o=14,33 кг/кг- теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

G_в= g_eN_eα_ΣL’_o/3600=0,1778*12296*2,875*14,33/3600=25,02 кг/с

Расход воздуха в компрессоре (К) определяется с учетом принятой схемы наддува, числа ТК их компоновки.

При одном ТК

i_TK=i → G_K=G_в=25,2 кг/с

2. Исходные параметры компрессора.

π_К=Р’_K/P_a=403/101=3,99- степень повышения давления

Р’_K=P_K+ΔP_ох=400+3=403 кПа- давление нагнетания

ΔP_ох=3 МПа- сопротивление воздухоохладителя

ΔР’_o=0÷3 кПа –сопротивление на входе в К не превышает, этой величины. Причем большее значение относится к радиально- круговому входному устройству.

При осевом входе ΔР’_o≈0

Р_о=100 кПа- давление на входе в компрессор(окружающей среды)

Р_а= Р_о+ ΔР’_o=100+1=101 кПа

Потребляемая мощность на привод К, кроме расхода воздуха, зависит от адиабатной работы и КПД компрессора.

K=1,4; R=0,287 кДж/кг*К*Т_а, температура воздуха на входе Т_а=Т_о(К)

Мощность компрессора:

N_K=G_K*ℓ_ak/η_k=25,2*153,66/0,86=4502,6 кВт

η_k=0,86 – КПД компрессора

Н_К=1,55- коэффициент напора

По ГОСТ-9658 по минимальному допустимому КПД с лопаточным диффузором выбираем по табл. 1 стр.9.

3.Параметры заряда в воздушном тракте.

Определение размеров отдельных участков воздушного тракта ведут по объемному расходу воздуха. Для схемы газотурбинного наддува (ГТН) со свободным турбокомпрессором (ТК) и воздухоохладителем (ВО).

а) на участке К- ВО параметры воздуха:

Р΄_К=403 кПа

Т΄_К=Т_О(1+(π_К^0,286-1)/ η_k)=300(1+(3,99^0,266-1)/0,86)=470 К

б) на участке ВО- Д

Р_К=400 кПа

Тк=320 К

соответственно получаем:

Q΄_K= G_K/γ΄_K и Q_K= G_K/γ_K, где

γ΄_K=3,484*Р΄_К/Т΄_К=2,98

γ_K=3,484* Р_К/Т_К=1,25

4.Параметры воздухоохладителя.

Из теплового расчета принимаем.

ΔТ_ох= Т΄_К-Т_К= 470-320= 150 К

ΔР_ох= Р΄_К-Р_К= 403-400= 3 кПа

5. Параметры газа в впускном коллекторе.

Р_Т= (0,75÷0,92)Р_К= 379 кПа

Т_Т= (625÷775)= 636 К

В выхлопном трубопроводе за газовой турбиной (ГТ) принимаем:

Р₂= (101÷105)= 105 кПа

Т₂- уточняем в ходе расчета ГТ (≈330 К).

Расход газов в турбине в первом приближении можно принять равным расходу воздуха в компрессоре G_К

G_T≈G_K= 25,2 кг/с

Для определения размеров выпускного коллектора и выпускного трубопровода (за ГТ) определяется объемный расход газов.

Q_T=G_T/γ_T=12,139 м³/с

γ_Т=3,484*Р_Т/Т_Т=2,076

Q₂= G_T/γ₂= 23,4 м³/с

γ₂= 3,484*Р₂/Т₂= 1,1.

II. Проектирование и расчет центробежного компрессора.

Расчету компрессора предшествует определение необходимого диаметра рабочего колеса, основание и выбор типоразмера турбокомпрессора ТК, предварительная оценка основных размеров элементов проточной части по конструктивным соотношениям.

1. Определение необходимого диаметра рабочего колеса, основание и выбор типоразмера турбокомпрессора.

Для определения наружного диаметра рабочего компрессора D₂ надо определить абсолютную скорость и плотность воздуха на входе в рабочее колесо РК.

При умеренных ≤100 м/с скоростях воздуха на входе в компрессор температуру перед компрессором можно принять равной:

Т_а=Т_о= 300 К,

а давление

Р_а=( Р_о- ΔР’_o)= 100-2= 98 кПа

ΔР΄_О≈(0÷3)- сопротивление входного устройства

γ_а= 3,484*Р_а/Т_а=1,14

С_а= (20÷70) м/с- скорость на входе в компрессор

ℓ_ак= 1,005Т_а(π_К^0,286-1)= 146,38 кДж/кг- адиабатная работа компрессора

Коэффициент напора компрессора

U₂=434 м/с- окружная скорость на наружном диаметре рабочего колеса РК D₂

Для расчета параметров воздуха на входе в рабочее колесо РК надо задать коэффициент расхода компрессора.

коэффициент расхода компрессора выбираем по графику рис. 4 стр. 18

Меридиальная (осевая) скорость потока на входе в РК

температура, давление и плотность на входе в РК

Т₁= Т_а-(с₁²-с_а²)/2010= 293 К

Р₁= Р_а(Т₁/Т_а)ⁿ₁^/n₁^-1= 91,14 кПа

n₁=1,35÷1,39- показатель политропы во входном устройстве К

n₁=1,37

γ΄₁=3,484*Р΄₁/Т΄₁= 1,084

Проходное сечение на входе в рабочее колесо РК

F₁=G_K*10⁴/c₁*γ₁=1788 см²

Наружный диаметр рабочего колеса компрессора D₂

Для ТК (осевая ГТ, наружная компоновка подшипников)

Принимаем: D₂= 730 мм

Частота вращения ТК

n_ТК= 60000*U₂/πD₂= 11298 об/мин

2. Конструктивные соотношения по центробежным компрессорам двс.

Расчетная схема центробежного К рис.1.

При проектировании К широко пользуются конструктивными соотношениями на базе лучших серийных образцов.

рис.1.

а) Рабочее колесо компрессора.

Число лопаток

при - осевая ширина рабочего колеса

- ширина рабочего колеса

- относительное значение наружного диаметра на входе (рис.4 стр.18)

- относительное значение диаметра ступицы

- диаметр РК на входе

- диаметр ступицы РК

- угол установки лопаток на среднем диаметре на входе

Число Маха по относительной скорости на D₁ на входе в рабочее колесо не должно превышать 0,85÷0,95.

- относительная ширина РК на выходе

- скорость потока на выходе РК

- коэффициент мощности

- КПД рабочего колеса при и выше

- ширина РК на выходе.

3. Рабочее колесо компрессора.

Диффузор - лопаточный.

- наружный диаметр лопаточного диффузора

Лопаточный диффузор постоянной рабочей ширины.

- наружный диаметр лопаточного диффузора ЛД.

- число лопаток ЛД

Критерий Маха по абсолютной скорости воздуха на входе в ЛД проверяется по соотношению:

- средний диаметр РК на входе

- окружная скорость на

С учетом загромождения определяют шаг лопаток и абсолютную скорость на входе рис.2.

рис.2.

- шаг лопаток РК

- коэффициент загромождения потока на середине диаметра

Углы потока в относительном движении на D_1С без учета U с учетом загромождения будут равны:

а углы потока в относительном движении на D₀ и D₁ без учета загромождений

И с учетом загромождения

Угол установки лопаток на среднем диаметре D_1C

углы установки лопаток на D₀ и D₁ определяются в ходе профилирования РК с учетом применяемой технологии изготовления предельные значения

Размеры горловины межлопаточного канала на среднем диаметре на входе в РК- f_1с и ширина горловины a_1c

- коэффициент, учитывающий изменение в косом срезе по сравнению с в горле межлопаточного канала

относительная скорость потока на D₁, с учетом стеснения потока критерий Маха:

Для расчета параметров на выходе РК находят коэффициент мощности по формуле Казанджана:

либо задают в пределах

- коэффициент трения диска РК

Параметры потока на выходе из рабочего колеса РК.

Температура:

Давление:

Плотность:

Скорости и углы потока на выходе из РК:

Рис. 3. Треугольник скоростей на выходе рабочего колеса компрессора (β_2л=90^о – радиальные лопатки)

Размеры на выходе РК:

Шаг лопаток (в меридиальном сечении)

Ширина лопаток

- коэффициент смещения на D₂.

В турбокомпрессоре ТК для наддува дизелей обычно

В конце расчета по рабочему колесу РК целесообразно оценить ожидаемый КПД

- коэффициент трения диска РК

Значение ожидаемого КПД почти равно ранее принятому .

4. Лопаточный диффузор.

Наружный диаметр ЛД.

Осевая ширина

Площадь

учитывает изменение с и γ в косом срезе

плотность потока проверена

- число зубьев ЛД

Параметры потока на выходе ЛД в первом приближении

Углы потока и углы установки лопаток на входе в ЛД:

Должно быть

Тоже на выходе ЛД

Связь углов можно проверить

- коэффициент загромождения потока на D₃

δ₃ – толщина входной кромки

- коэффициент, учитывающий отстование потока

Необходимо проверить углы раскрытия диффузора по формулам в радиальной плоскости.

Рис.4. Треугольники скоростей на входе и выходе лопаточного диффузора.

в меридиальном сечении

Оптимальны

Лопатки ЛД часто образуют дугами окружностей, радиус дуги средней линии лопатки см. рис.4.

Радиус окружности центров

Порядок расчета параметров потока на выходе ЛД рис.4.

Поперечное сечение f₄ см² и горловина а₄ мм на выходе ЛД рис.1.

- коэффициент, учитывающий наличие следа за лопатками

- коэффициент, учитывающий отстование потока

Угол раскрытия эквивалентного конического диффузора:

5. Параметры на выходе и общие показатели компрессора.

Расчетные значения не должны отличаться от исходных более, чем на 2-3%.Рекомендуется проверить и суммарные показатели компрессора.

Полная и относительная мощность компрессора:

II. Проектирование и расчет осевой газовой турбины.

Цель работы: определение основных размеров, рабочих параметров, оценка потерей и КПД турбины в составе ТК.

1. Исходные параметры газа в выпускном коллекторе.

В выходном трубопроводе за ГТ принимаем:

Расход газа в первом приближении можно принять равным расходу воздуха в компрессоре. G_K , либо рассчитать по формуле:

суммарный коэффициент избыточного воздуха

теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива.

Для определения размеров выпускного коллектора и выпускного трубопровода за ГТ определяем объемный расход газов м³/с.

Расчетные параметры изобарной газовой турбины Р_Т=const.

Оценивается ожидаемый КПД ГТ - эффективный КПД ГТ.

- механический КПД ТК

- внутренний КПД ГТ

Общий КПД ТК:

Адиабатная работа ГТ:

- показатель адиабаты для газов

- газовая постоянная ДЖ/кг*К

Для двухтактных ДВС с наддувом важно иметь: