Турбокомпрессор с изменяющейся геометрией

     2.7.7 РАСЧЕТ ТУРБОКОМПРЕССОРА 

     2.7.7.1 Выбор конструкции турбокомпрессора

     Турбонаддув — один из методов агрегатного наддува, основанный на утилизации энергии отработавших газов. Основной элемент системы —турбокомпрессор. На низких оборотах двигателя при недостаточном образовании выхлопных газов нагнетается мало воздуха. Работа турбины практически незаметна и мощность не увеличивается – это явление называют турбояма. Для поддержания оптимальной степени повышения давления (избавление от турбоямы) используют систему турбонаддува с изменяющейся геометрией лопаток (регулируемым сопловым аппаратом, VNT (Variable Nozzle Turbine) ). Изменением размера входного отверстия может управлять как сама величина давления в турбине, используя клапан давления, так и система управления двигателем, используя вакуумный клапан.

     2.7.7.2 Выбор данных для расчета турбокомпрессора

     Основные  параметры берем аналогичные  принимаемые в тепловом расчете  двигателя, то есть:

• Двигатель дизельный четырехтактный
• Номинальная мощность двигателя кВт
• Номинальная частота вращения ДВС мин^-1

     2.7.7.3  Расчет турбокомпрессора на номинальном режиме работы

       Расчет компрессора.

     В настоящее время наиболее распространенным типом центробежного компрессора, применяемого для турбокомпрессоров, является радиально-осевой. Схема проточной части центробежного компрессора с лопоточным диффузором представлена на рисунке 5.1

     

     Рисунок 5.1 Схема проточной части центробежного  компрессора с лопаточным диффузором

     На  рисунке буквами cобозначена абсолютная, w – относительная, u – окружная скорости. Сечение ɑвх - ɑвх  соответствует параметрам потока на входе в подводящий патрубок, I – I – перед входными кромками лопаток, II – II – за выходными кромками на диаметре D2, III – III – на выходе из безлопаточного диффузора, IV – IV – на выходе из лопаточного диффузора и V – V – на выходе из воздухосборника. Окружные составляющие абсолютной скорости имеют индекс u, радиальный – r, осевые – a.

     Параметры окружающей среды и физические константы для воздуха приняты по данным теплового расчета. Компрессор радиально-осевой с лопаточным диффузором, одноступенчатый.

     Массовый  расход воздуха через двигатель 

     где — коэффициент продувки;

       – коэффициент избытка воздуха

       –  количество  воздуха необходимого  длясгорания

       – мощность двигателя

       – эффективный расход топлива

     Плотность воздуха на входе в компрессор

     

     Объемный  расход воздуха через компрессор 

     Расчет  входного устройства и рабочего колеса. Температура воздуха в сечении (см. рис. 17.3)

     

         Давление воздуха в сечении ɑвх - ɑвх 

       МПа

     где —потери давления на всасывании в компрессор,МПа.

     Степень повышения давления воздуха в  компрессоре 

     где р_т=0,13 МПа — давление наддувочного воздуха (см. тепловой расчет дизеля).

     По  известным значениям Q_B и л_ж, используя графические зависимости рисунок 5.2, определяем типоразмер турбокомпрессора — ТКР-11, а следовательно номинальный базовый диаметр колеса компрессора — D2 = 0,11 м = 110 мм 

           

     Рисунок 5.2  Расходные характеристики компрессоров типов ТКР

     Адиабатическая  работа сжатия в компрессоре 

       Дж/кг

     Окружная  скорость на наружном диаметре колеса компрессора

       м/с

     где — коэффициент напора.

     Частота вращения колеса компрессора

      

     Температура воздуха на входе в колесо компрессора (сечение I-I)

       К

     где =40 — скорость воздуха во входном сечении, м/с; абсолютная скорость потока перед колесом, м/с; = 1005 — теплоемкость воздуха при постоянном давлении, Дж/(кг' К). Потери в воздухоподводящем патрубке компрессора

     

     где коэффициент потерь для патрубков с осевым входом. 

     Показатель  политропы п^ на участке входа  воздуха в компрессор определяем из выражения  

     откуда

     Давление  перед колесом компрессора

       МПа

     Плотность воздуха в сечении

       кг/м3

     Площадь поперечного сечения  

     Диаметр рабочего колеса на входе в компрессор 
 

     где — отношение диаметра втулки колеса к его диаметру на входе.

     Диаметр втулки рабочего колеса компрессор 

     Относительный диаметр втулки рабочего колеса 

     Относительный диаметр колеса на входе 

     Относительный средний диаметр на входе в  колесо 

     Коэффициент мощности для осерадиальных колес 

     Где    — число лопаток рабочего колеса компрессора.

     Окружная  составляющая абсолютной скорости на выходе из колеса 

     Радиальная  составляющая абсолютной скорости 

     Абсолютная  скорость воздуха на выходе из колеса (см. рис. 17.3) 

     Отношение     лежит в допускаемых пределах.

     Температура воздуха на выходе из колеса 

     где — коэффициент дисковых потерь.

     Показателем политропы сжатия в рабочем колесе задаемся: 

     Давление  воздуха на выходе из колеса 

     Плотность воздуха за рабочим колесом 

     Высота  лопаток рабочего колеса на диаметре (см. рис. 17.3) 

     Относительная высота лопаток в выходном сечении  колеса

       

     Относительная ширина колеса компрессора 

     где — ширина колеса компрессора, м.

     Расчет  диффузоров и воздухосборника. Ширину безлопаточной части диффузора принимаем равной высоте лопаток колеса на выходе (см. рис. 17.3): 

     Наружный  диаметр безлопаточного диффузора 

     где — относительный наружный диаметр безлопа

     точного диффузора.

     Абсолютная  скорость на выходе из безлопаточного диффузора 

     Отношение не превышает допустимых значений.

     Давление  за лопаточным диффузором 

     Показатель  политропы сжатия в диффузорах принимаем Температура воздуха за лопаточным диффузором 

     Скорость  воздуха на выходе из лопаточного  диффузора 

     Наружный  диаметр лопаточного диффузора (см. рис. 17.3) находится в пределах Принимаем

     

     Ширина  лопаточного диффузора на выходе

     

     где v=6° — угол раскрытия стенок лопаточного диффузора.

     Скорость  воздуха на выходе из воздухосборника 

     Потери  в воздухосборнике (улитке) 

     где — коэффициент потерь в воздухосборнике.

     Давление  на выходе из улитки 

      
Давление воздуха  в компрессоре  можно повысить, если выходной патрубок воздухосборника будет диффузорным .

     Расчет  основных параметров компрессора. Конечное давление на выходе из компрессора отличается от принятого в тепловом расчете на 0,77%, что допустимо.

     Температура воздуха после компрессора отличается

     от  полученного в тепловом расчете  значения   на 0,03%.

     Действительная  степень повышения давления в  компрессоре

     Адиабатический  КПД компрессора 

     Адиабатическая  работа, определенная по действительной степени повышения давления: 

     Коэффициент напора  отличается от принятого в расчете  на 0,33%, что допустимо.

     Мощность, затрачиваемая на привод компрессора: 

     Расчет  турбины.

     Количество  выпускаемых газов, поступающих  на турбину от двигателя: 

     Давление  газа в выпускном патрубке зависит  от системы наддува и изменяется в четырехтактных двигателях в пределах Имея в виду, чтодолжно быть выше давления перед турбиной, принимаем  

     Температура газа перед турбиной при <р_п=1 

     где — температура газа в выпускном патрубке; — показатель политропы расширения в процессе выпуска.

     Противодавление за турбиной В расчетах принимаем

     Показатель  изоэнтропы выпускных газов рассчитывают по температуре газа, составу топлива и коэффициенту избытка воздуха. Для четырехтактных двигателей В расчетах принимаем

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

     Газовая постоянная выпускных газов 

     В соответствии с определенным ранее  типом турбокомпрессора (ТКР-11) принимаем  для расчета изобарную радиальную турбину с КПД

     Давление  газа перед турбиной 

     Отношение. Для четырехтактных двигателей

     Расчет  направляющего аппарата (сопла). Полная адиабатическая работа расширения газа в турбине 

     Адиабатическая  работа расширения в направляющем аппарате 

     где — степень реактивности.

     Абсолютная  скорость газа перед рабочим колесом 

     где — коэффициент скорости.