РефератыТранспортОсОсновные сведения о системе газотурбинного наддува

Основные сведения о системе газотурбинного наддува

12. Система газотурбинного наддува


12.1 Основные сведения о системе газотурбинного наддува


Одним из перспективных способов форсирования ДВС является применение наддува. Увеличение количества воздуха, поданного в цилиндры двигателя, то есть их массового наполнения, даёт возможность подавать большее количество топлива, тем самым, повышая эффективную мощность двигателя. Практически это осуществляется посредством повышения плотности воздушного заряда поступающего в цилиндры, то есть посредством наддува


Наибольшее распространение получили системы газотурбинного наддува или т.н. комбинированные двигатели со свободным турбокомпрессором (с газовой связью). В качестве нагнетателей как правило, применяют центробежные компрессоры. Их привода используются центростремительные, реже осевые турбины. Основными достоинствами системы газотурбинного наддува являются:


1. Отсутствие потерь эффективной мощности на привод компрессора.


2. Использование энергии отработавших газов.


Однако у неё есть ряд недостатков, основными из которых являются два.


1. На долевых нагрузках ввиду малой энергии отработавших газов мощность турбины резко падает, из-за чего снижается давление наддува. В некоторых случаях оно становится меньше давления газов в выпускном коллекторе, что приводит к ухудшению качества продувки и газообмена в целом. В ДВС с механической связью недостаток мощности турбины компенсируется мощностью, отбираемой от поршневого двигателя.


2. Более низкие пусковые качества и приемистость. Это вызвано тем, что в периоды пуска и приема нагрузки двигателя вал турбокомпрессора из-за инерции раскручивается медленно, а значит, медленно повышается и давление.


Устранение данного недостатка, связанного с пониженной приёмистостью, предлагается выполнить путём установки двух турбокомпрессоров с роторами меньшей массы и габаритов, а, следовательно, обладающих меньшим моментом инерции, обслуживающих каждый из рядов отдельно, взамен одного общего обслуживающего все цилиндры. При этом время разгона ротора турбокомпрессора значительно сокращается.


Турбокомпрессора устанавливаются на торцах блоков цилиндров с помощью кронштейнов. Нагнетаемый компрессорами воздух направляется в общий охладитель наддувочного воздуха (ОНВ) типа «вода – воздух». Хладагентом служит вода системы охлаждения. После ОНВ воздух направляется в цилиндры двигателя. Охлаждение наддувочного воздуха снижает теплонапряжённость деталей двигателя, увеличивает массовое наполнение цилиндра свежим зарядом, а следовательно улучшает процесс сгорания.


Частота вращения турбокомпрессора комбинированного двигателя находится в пределах от 10000 до 130000 мин-1
(это значит, что лопатки турбины на периферии имеют линейную скорость близкую к скорости звука).


Основным элементом турбокомпрессора является ротор, состоящий из рабочих колес турбины и компрессора, объединенных жесткой осью.


После воздушного фильтра воздух попадает во входное устройство, выполненное в виде сужающегося канала и служащее для предотвращения срыва воздушного потока на входе в рабочее колесо. Вращающийся направляющий аппарат (ВНА), представляющий собой отогнутую переднюю часть лопаток рабочего колеса. ВНА служит для изменения направления воздушного потока на входе в рабочее колесо и уменьшения таким образом аэродинамических потерь.


В рабочем колесе воздуху сообщается кинетическая и потенциальная (в виде давления) энергия. При его вращении под действием центробежных сил воздух по каналам, образованным лопатками, перемещается к периферии колеса. Каналы спрофилированы т.о. что абсолютная скорость потока возрастает, а относительная остаётся практически неизменной.


Кинетическая энергия на выходе колеса составляет обычно около половины общей энергии потока, поэтому для превращения ее в энергию давления за рабочим колесом устанавливают безлопаточный диффузор, представляющий собой кольцевую щель увеличивающегося сечения. При движении воздуха в нём вследствие непрерывного увеличения площади проходного сечения скорость потока падает, а давление возрастает.


За безлопаточным щелевым диффузором возможна установка лопаточного диффузора, который представляет собой набор неподвижных лопаток в которых происходит дальнейшее торможение потока и его подкручивание с целью сокращения пути в воздухозборной улитке и уменьшения тем самым аэродинамических потерь на трение


Отработавшие газы из выпускного коллектора двигателя попадают в газосборную улитку турбины. Проходя по постепенно сужающемуся внутреннему каналу, они ускоряются. После газосборной улитки отработавшие газы попадают в сопловой аппарат, где скорость их также увеличивается, кроме того, происходит их подкручивание в направлении вращения рабочего колеса.В рабочем колесе турбины кинетическая энергия газового потока преобразуется в механическую работу на валу турбины.


12.2 Расчет энергетического баланса поршневой части компрессора и турбины агрегата наддува


Производится расчет турбокомпрессора обслуживающего блок объединяющий 4 цилиндра, 4-х тактного 8 цилиндрового дизельного двигателя. Эффективная мощность Nе
=254 кВт, частота вращения коленчатого вала n = 2000 об/мин, ход поршня S = 125 мм, диаметр цилиндра D = 115 мм.


Исходные данные для расчёта турбокомпрессора принимаются:


– удельный эффективный расход топлива ge
=203 г/(кВт×ч);


– эффективный КПД hе
=0,42


– давление наддува pk
=0,2 МПа;


– температура отработавших газов Тr
=810 К;


– температура окружающего воздуха Т0
=293 К;


– давление окружающего воздуха p0
=0,101МПа;


– низшая теплота сгорания QH
=42,44 МДж/кг;


– коэффициент избытка воздуха a=1,6;


– количество воздушной смеси М1
=0,948 кмоль/кг;


Определяем требуемый расход воздуха через компрессор



×Nе
×M1
×mв



= ¾¾¾¾¾¾ , кг/с (12.1)


3600×k


где Ne
– эффективная мощность двигателя, кВт;



- относительная молекулярная масса воздуха, кг/кмоль.


М1
– количество воздушного заряда, кмоль/кг;



– удельный эффективный расход топлива, г/кг×К;


k – число турбокомпрессоров на двигателе.


Принимаем: mв
=28,97 кг/кмоль, k=2


0,203×254×0,948×28,97



= ¾¾¾¾¾¾¾¾ = 0,196 кг/с


3600×2


Работа адиабатного сжатия в компрессоре


k


lад
.
к
.
= ¾¾ ×Rв×To×(p(k-1)/k
-1), Дж/кг (12.2)


k-1


где p - степень повышения давления;


k - показатель адиабаты для воздуха;



- газовая постоянная воздуха, Дж/(кг×К);


To
- температура окружающей среды, К.


p=Pк
/Po
(12.3)


где Po
- давление окружающей среды.


Принимаем Po
=0,101 МПа.


p=0,2/0,101=1,98


Принимаем k=1,4; Rв
=287 Дж/(кг×К); Тo
=293 К.


1,4


lад.к.
= ¾¾ ×287×293×(1,98(1,4-1)/1,4
-1)=63441 Дж/кг


1,4-1


Действительная удельная работа сжатия воздуха в компрессоре


lад.к.


lд.к.
= ¾¾¾ , Дж/кг (12.4)


hад.к.


где hад.к.
– адиабатный КПД компрессора.


Принимаем hад.к.
=0,70.


63441


lд.к.
= ¾¾¾–– =90630 Дж/кг


0,7


Мощность необходимая на привод компрессора



=Gв
×lд.к.
×10-3
, кВт (12.5)



=0,196×90630×10-3
=17,75 кВт


Мощность необходимая на турбины





= ¾¾ , кВт (12.6)


hмех


где hмех
– механический КПД турбокомпрессора.


Принимаем hмех
=0,97.


17,75



= ¾¾¾ =18,49 кВт


0,96


Расход отработавших газов через турбину



×Nе



= ¾¾¾ ×(1+M1
×mг
), кг/с (12.7)


3600


где mг
– относительная молекулярная масса отработавших газов, кг/кмоль.


Принимаем mг
=28,97 кг/кмоль.


0,203×127



= ¾¾¾¾¾ ×(1+0,948×28,97)=0,203 кг/с


3600


Удельная работа адиабатного расширения отработавших газов в турбине


lад.к.


lад.т.
= ¾¾ × ¾¾ , Дж/кг (12.8)


hад.т.


где hад.т.
– адиабатный КПД турбины.


Принимаем hад.т.
=0,74.


90630 0,196


lад.т.
= ¾¾¾ × ¾¾¾ =118200 Дж/кг


0,74 0,203


12.3 Газодинамический расчет и профилирование одноступенчатого центробежного компрессора


Основные параметры ступени и параметры на входе в компрессор


Полное давление на входе в компрессор в сечении А-А



*
=Po
-DPвф
, МПа (12.9)


где DPвф
– потери давления в воздушном фильтре, МПа.


Принимаем DPвф
=0,004 МПа.



*
=0,101-0,004=0,0097 МПа


Статическое давление на выходе из компрессора


Pk

=Pk
+DPk
, МПа (12.10)


где DPк
– потери давления во впускном коллекторе, МПа.


Принимаем DPк
=0,003 МПа.


Pk

=0,2+0,003=0,203 МПа


Ориентировочная окружная скорость, обеспечивающая требуемое повышение давления в компрессоре


U2ор
=(Pk

+0,1)×103
, м/с (12.11)


U2ор
=(0,203+0,1)×103
=303 м/с


Принимаем U2ор
=310 м/с


Скорость воздушного потока на входе в компрессор (А-А)



=(0,15…0,30)×U2ор
, м/с (12.12)



=0,2×310=60 м/с


Плотность воздуха в сечении А-А



*
×106



= ¾¾¾ , кг/м3
(12.13)



×Tа
*


где Rв
– газовая постоянная воздуха, Дж/(кг×К);


Тa
*
– температура заторможенного потока, К.


Принимаем Тa
*
=Тo
=293 К.


0,097×106



= ¾¾¾¾ =1,165 кг/м3


287×293


Объемный расход воздуха через компрессор





= ¾¾ , м3
/с (12.14)




0,196



= ¾¾¾ =0,168 м3


1,165


Ориентировочный диаметр рабочего колеса компрессора


4×Vа


D2ор
= ¾¾¾¾ , м (12.15)


Ö
p×F×U2ор


где Ф – коэффициент расхода.


Принимаем Ф=0,09.







4×0,168


D2ор
= ¾¾¾¾¾¾ =0,087 м


3,14×0,09×310


В соответствии с ГОСТ 9658-81 выбираем ближайший к рассчитанному D2ор
центробежный турбокомпрессор ТКР – 8,5 : диаметр рабочего колеса компрессора D2
=0,085 м.


Коэффициент расхода соответствующий принятому диаметру рабочего колеса


4×Vа


F= ¾¾¾¾¾ , (12.16)


p×D2
2
×U2ор


4×0,168


F= ¾¾¾¾¾¾¾ =0,09


3,14×0,0852
×310


Число лопаток рабочего колеса компрессора


Zk
=12…30 (12.17)


Принимаем Zk
=12.


Расчет профиля рабочего колеса компрессора


Относительный диаметр рабочего колеса в сечении 1-1





2×F2


D1
w
1
min
= Do
2
+ ¾¾¾ , (12.18)


3
e1
2
×t1
2


где Do
– втулочное отношение;


e1
– коэффициент сжатия воздушного потока;


t1
– коэффициент стеснения потока на входе в колесо.


Принимаем Do
=0,2; e1
=0,88; t1
=0,9.





2×0,092


D1
w
1
min
= 0,22
+ ¾¾¾ =0,579


0,882
×0,92


Диаметр входа в рабочее колесо


D1
=D2
×D1w1min
, м (12.19)


D1
=0,085×0,579=0,049 м


Принимаем D1
=0,05 м.


Относительный диаметр колеса на входе


D1


D1
= ¾¾ , (12.20)


D2


0,05


D1
= ¾¾ =0,588


0,085



Рис.12.1 Профиль рабочего колеса компрессора


Диаметр втулки рабочего колеса


Do
=D2
×Do
, м (12.21)


Do
=0,085×0,2=0,017 м


Относительный диаметр втулки колеса к диаметру на входе


Do

¾¾ =0,3…0,6 (12.22)


D1
0,017

¾¾¾ = 0,34


0,05




Рис. 12.2 Рабочее колесо компрессора


Относительный средний диаметр входа в рабочее колесо





1 D1
2
+Do
2


D1
ср
= ¾ × ¾¾¾ , (12.23)


D2
2





1 0,052
+0,0172


D1
ср
= ¾¾ × ¾¾¾¾¾¾ =0,44


0,085 2


Коэффициент уменьшения теоретического адиабатного напора


1


m= ¾¾¾¾¾¾¾¾ , (12.24)


2 p 1


1+ ¾ × ¾ × ¾¾¾


3 Zk
1-D1ср
2


1


m= ¾¾¾¾¾¾¾¾¾ =0,844


2 3,14 1


1+ ¾ × ¾¾ × ¾¾¾


3 14 1-0,442


Коэффициент адиабатного напора ступени


Hk
= (af
+m)×hад.к.
, (12.25)


где af
– коэффициент дискового трения;


Принимаем af
=0,03.


Hk
= (0,03+0,844)×0,7=0,61


Окружная скорость на выходе из рабочего колеса


lад.к.


U2
= ¾¾¾ , м/с (12.26)


m


63441


U2
= ¾¾¾¾ =322 м/с


0,61


Уточнение коэффициента расхода


4×Vа


F = ¾¾¾¾¾ , (12.27)


p×D2
2
×U2


4×0,168


F = ¾¾¾¾¾¾¾ =0,091


3,14×0,0852
×322


Погрешность коэффициента расхода составляет 1,,0 %.


Определение площади входного сечения


p×(D1
2
-Do
2
)


F1
= ¾¾¾¾¾ , м2
(12.28)


4


3,14×(0,052
-0,0172
)


F1
= ¾¾¾¾¾¾¾¾¾ =1,737×10-3 м2


4


Определение полного давления во входном сечении


P1
*
=dвх
×Pа
*
, МПа (12.29)


где dвх
– коэффициент полного давления.


Принимаем dвх
=0,98.


P1
*
=0,98×0,097=0,095 МПа


Безразмерная плотность потока






× T1
*


q1
*
= ¾¾¾¾ , (12.30)


m×P1
*
×F1


где T1
*
=То
.


m= 0,397


0,196× 293


q1
*
= ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ =0,512


0,397×0,95×104
× 1,737×10-3


Определяем параметры торможения потока воздуха на входе


(сечение 1-1) t1
, p1
, e1
, l1


Принимаем t1
=0,9807; p1
=9342; e1
=0,9525; l1
=0,34.


Определение параметров потока в сечении 1-1


C1
=l×a1кр
, м/с (12.32)





2×k×Rв
×T1
*


а1кр
= ¾¾¾¾¾ , м/с (12.33)


k+1


2×1,4×287×293


а1кр
= ¾¾¾¾¾¾¾ =313,3 м/с


1,4+1


C1
=0,34×313,3=106,5 м/с


T1
=t1
×T1
*
, К (12.34)


T1
=0,9807×293=287 К


P1
=p1
×P1
*
, МПа (12.35)


P1
=0,9342×0,095=0,0887 МПа


r1
=e1
×r1
*
, кг/м3
(12.36)


r1
=0,9525×1,165=1,117 кг/м3


Потери потока во входном патрубке


с1
2


Lгвх
=e1
× ¾ , Дж/кг (12.37)


2


где e – коэффициент учитывающий форму входного патрубка.


Принимаем e1
=0,12.


106,52


Lгвх
=0,1× ¾¾ =567,1 Дж/кг


2


2.2.17 Показатель процесса расширения во входном патрубке


mвх
k Lr
вх


¾¾ = ¾¾ - ¾¾¾¾¾¾ , (12.38)


mвх
-1 k-1 Rв
×T1
*
×(t1
-1)


mвх
1,4 567,1


¾¾ = ¾¾ - ¾¾¾¾¾¾¾¾ =3,856


mвх
-1 1,4-1 287×293×(0,9807-1)


Коэффициент восстановления давления торможения


t1
m
вх/(
m
вх-1)


dвх
= ¾¾¾¾ , (12.39)


t1
k/(k-1)


0,98073,856


dвх
= ¾¾¾¾¾¾ =1


0,98071,4/(1,4-1)


Погрешность коэффициента восстановления давления торможения составляет 1,0 %.


Профилирование одноступенчатого рабочего колеса компрессора


Определение направления относительной скорости W1
на входе в колесо


C1

b1
=arctg(¾¾¾), ° (12.40)


U2
×D1


106,5

b1
=arctg (¾¾¾¾ ) = 29,36°


322×0,588


C1

b0
=arctg(¾¾¾), ° (12.41)


U2
×D0


106,5

b0
=arctg (¾¾¾¾) =58,84°


322×0,2


C1

bср
=arctg(¾¾¾), ° (12.42)


U2
×Dср


106,5

bср
=arctg (¾¾¾¾) = 37°


322×0,439



Рис. 12.3 Диаграмма скоростей


Определение направления входных кромок лопаток



1
=b1
+i1
, ° (12.43)



0
=b0
+i0
, ° (12.44)


bлср
=bср
+iср
, ° (12.45)


Принимаем i1
=i0
=iср
=2°.


bл1
=29,36+2°=31,36°


bл0
=58,85+2°=60,85°


bлср
=37+2°=39°


Определение коэффициентов стеснения


d1
×Zk


tст
1
=1- ¾¾¾¾¾¾¾ ,
(12.46)


p×D1
×D2
×sin(bл
1
)


d0
×Zk


tст
0
=1- ¾¾¾¾¾¾¾ , (12.47)


p×D0
×D2
×sin(bл
0
)


dср
×Zk


tстср
=1- ¾¾¾¾¾¾¾ , (12.48)


p×Dср
×D2
×sin(bлср
)


где d1
– толщина лопатки на выходе, мм;


d0
– толщина лопатки у основания, мм;


dср
– толщина лопатки на среднем диаметре, мм.


Принимаем d1
=0,8 мм;d0
=1,2 мм;dср
=1,0 мм.


0,0008×14


tст1
=1- ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ =0,863


3,14×0,588×0,085×sin(31,36°)


0,0012×14


tст0
=1- ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ =0,64


3,14×0,2×0,085×sin(60,85°)


0,001×14


tстср
=1- ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ =0,813


3,14×0,439×0,085×sin(39°)


Проверяем значение D1W1min





2×F2


D1
w
1
min
= Do
2
+ ¾¾¾ , (12.49)


3
e1
2
×tст1
2





2×0,092


D1
w
1
min
= 0,22
+ ¾¾¾¾¾¾ = 0,573


3
0,95252
×0,8632


Окружная скорость на наружном и среднем диаметре





C1


W1

= (¾)2
+(D1
×U2
)2
, м/с (12.50)


tст1


106,5


W1

= (¾¾)2
+(0,588×322)2
=228 м/с


0,836


C1


Wср

= (¾)2
+(Dср
×U2
)2
, м/с (12.51)


tст ср





106,5


Wср

= (¾¾)2
+(0,439×322)2
=193 м/с


0,81


Максимальное число Маха


W1


MW
’ср
= ¾¾¾¾ , (12.52)


20,1×Ö T1


228,2


MW
’ср
= ¾¾¾¾¾ =0,67


20,1×Ö 287


Расходные скорость и коэффициент на входе в колесо с учетом стеснения


C1
*


Cср

= ¾¾ , м/с (12.53)


tстср


106,5


Cср

= ¾¾ =131,5 м/с


0,81


Cср


j1

= ¾¾ , (12.54)


U2


131,5


j1

= ¾¾¾ = 0,4


322


Расходные скорости и коэффициент расхода на выходе из рабочего колеса с учетом стеснения


Cr
2

=(0,7…1)×Cср

, м/с (12.55)


Cr
2

=0,8×131,5=105,2 м/с


Cr
2


j2

= ¾¾ , (12.56)


U2


105,2


j2

= ¾¾¾ =0,33


322


Промежуточный условный диаметр


D1”
=1,02×D1
, м (12.57)


D1”
=1,02×0,05=0,051 м


Скорость в сечении 1"-1"


Cср

+Cr
2


Cr
1”
= ¾¾¾ , м/с (12.58)


2


131,5+105,2


Cr
1”
= ¾¾¾¾¾ =118,4 м/с


2


Высота лопатки в сечении 1"-1"




l1”
= ¾¾¾¾¾¾¾¾¾ , м (12.59)


r1”
×Cr1”
×(p×D1”
-Zk
×d”
)


где d"
– толщина лопатки, м.


Принимаем r1”
=r1
=1,11; d”
=0,0011 м.


0,196


l1”
= ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ =0,01 м


1,11×118,4×(3,14×0,051-14×0,0011)


Абсолютная скорость на выходе из колеса


C2

=Ö Cr
2
’2
+(m×U2
) 2
, м/с (12.60)


C2

=Ö 1052
+(0,844×322)2
=291 м/с


Относительная скорость на выходе из колеса


W2

=Ö Cr
2
’2
+((1-m)×U2
)2
, м/с (12.61)





W2

=Ö 1052
+((1-0,844)×322)2
=117 м/с


Диффузорность колеса


Wср

193


¾¾ = ¾¾ =1,65


W2

117


Полученное значение меньше 1,8.


Потери напора в предкрылке (между сечениями 1-1 и 1"-1" )


Wср
’2


Lr
1
=e1
× ¾¾ , Дж/кг (12.62)


2


Принимаем e1
=0,12.


1932


Lr
1
=0,12× ¾¾¾ =2235 Дж/кг


2


Потери потока в радиальной звезде


Cr
2
’2


Lr
2
=e× ¾¾ , Дж/кг (12.63)


2


Принимаем e =0,12.


118,42


Lr
2
=0,12× ¾¾–– =841 Дж/кг


2


Потери на работу дискового трения


Lr
д
=af
×U2
2
, кДж/кг (12.64)


Lr
д
=0,03×3222
=3307 кДж/кг


Внутренний напор колеса


L1
=(m+af
)×U2
2
, кДж/кг (12.65)


L1
=(0,844+0,03)×3222
=90620 Дж/кг


Температура торможения за колесом


L1
+0,5×Lr
д


T2
*
=To
+ ¾¾¾¾¾ , К (12.66)



×k/(k-1)


90620 +0,5×3307


T2
*
=293+ ¾¾¾¾¾¾¾¾¾ =384 К


287×1,4/(1,4-1)


Температура за колесом


C2
2


T2

=T2
*
- ¾¾¾¾¾¾ , К (12.67)


2×Rв
×k/(k-1)


2912


T2

=384 - ¾¾¾&fra

c34;¾¾¾ =342 К


2×287×1,4/(1,4-1)


Показатель процесса сжатия в колесе


m2
k Lr1
+Lr2
+0,5×Lr
д


¾¾ = ¾¾ - ¾¾¾¾¾¾¾ (12.68)


m2
-1 k-1 Rв
×(T2

-T1
)


m2
1,4 2235 +841 +0,5×3307


¾¾ = ¾¾ - ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ =3,2


m2
-1 1,4-1 287×(342-287)


Давление за колесом


P2

=P1
×(T2

/T1
)m
2/(
m
2-1)
, МПа (12.69)


P2

=0,0887×(342/287)3,2
=0,155 МПа


Плотность воздуха за колесом


P2

×106


r2

= ¾¾¾ , кг/м3
(12.70)



×T2


0,155×106


r2

= ¾¾¾¾ =1,583 кг/м3


287×342


Высота лопаток на выходе из колеса




l2

= ¾¾¾¾¾¾¾¾¾ , м (12.71)


r2

×Cr2

×(p×D2
-Zk
×d0
)


0,196


l2

= ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ =0,0047 м


1,583×105,2×(3,14×0,085-14×1,2×10-3
)


Определение относительной высоты лопаток


l2

=l2

/D2
, (12.72)


l2

=0,0047/0,085=0,055


Полученное значение относительной высоты удовлетворяет неравенству 0,04<l2

<0,07.


Определение числа Маха на выходе из колеса


С2



2’
= ¾¾¾¾ , (12.73)


20,1×Ö T2


291


MС2’
= ¾¾¾¾¾ =0,78


20,1×Ö 342


12.4 Расчет диффузора


Из рабочего колеса поток сжатого воздуха с высокой кинетической энергией поступает в диффузор, в котором скорость газа уменьшается вследствие увеличения площади проходного сечения, а часть кинетической энергии потока преобразуется в потенциальную энергию давления. В центробежных компрессорах, применяемых для наддува дизелей, используются безлопаточные (щелевые) и лопаточные диффузоры. Щелевой диффузор представляет собой кольцевую щель с параллельными (как правило) стенками. У лопаточного диффузора в кольцевую щель встроены специально спрофилированные лопатки, образующие расширяющиеся каналы. Лопаточному диффузору всегда предшествует укороченный безлопаточный. Последний способствует некоторому выравниванию потока, весьма неравномерного на выходе из рабочего колеса, и позволяет избежать возникновения ударных импульсов, которые могли бы воздействовать на рабочее колесо при слишком близком расположении лопаток диффузора.


Целесообразность установки щелевого или лопаточного диффузора в основном зависит от двух факторов: значения угла потока a2
за рабочим колесом и условий работы компрессора. Чем меньше угол a2
, тем более пологой будет траектория частиц воздуха в щелевом диффузоре, а, следовательно, длиннее путь, проходимый в нем воздухом. Это увеличивает потери на трение. Уменьшить их можно, применяя лопаточный диффузор, в котором длина траектории частиц сокращается. Обычно лопаточный диффузор применяют при a2
20°
.





Рис. 12.4 Диффузор

Безлопаточный диффузор


Ширина безлопаточного диффузора на входе


l2
=l2

+DS, м (12.74)


где DS – зазор между корпусом и торцами лопаток, м.


Принимаем DS=0,0003 м.


l2
=0,0047+0,0003=0,005 м


Ширина на выходе


l3
=l2
×(l3
/l2
), м (12.75)


Принимаем l3
/l2
=0,9.


l3
=0,005×0,9=0,0045 м


Расходная составляющая скорости на входе в безлопаточный диффузор




Cr
2
= ¾¾¾¾¾ , м/с (12.76)


p×D2
×l2
×r2


где r2
– плотность воздуха на входе в диффузор, кг/м3
.


Принимаем r2
» r'2.


0,196


Cr
2
= ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ =93 м/с


3,14×0,085×0,005×1,583


Абсолютная скорость на входе в диффузор


C2
=Ö Cr
2
2
+(m×U2
)2
, м/с (12.77)


C2
=Ö 932
+(0,844×322)2
=287 м/с


Направление абсолютной скорости на входе в диффузор


a2
=arcsin(Cr2
/C2
), ° (12.78)


a2
=arcsin(93 /287)=18,9°


Направление скорости на выходе из безлопаточного диффузора


a3
=arctg(tg(a2
)/(l3
/l2
)), ° (12.79)


a3
=arctg(tg(18,9)/0,9)=20,8°


Диаметр на выходе из безлопаточного диффузора


D3
=(1,6…1,8)×D2
, м (12.80)


D3
=1,8×0,085=0,153 м


Скорость воздуха на выходе из безлопаточного диффузора


C3
=C2
×(D2
/D3
), м/с (12.81)


C3
=287×(0,085/0,153)=160 м/с


Показатель процесса сжатия в безлопаточном диффузоре


m3
k


¾¾ = ¾¾ ×h3
, (12.82)


m3
-1 k-1


где h3
– политропный КПД безлопаточного диффузора.


Принимаем h3
=0,67.


m3
1,4


¾¾ = ¾¾ ×0,67=2,345


m3
-1 1,4-1


Температура в безлопаточном диффузоре


на входе:


T2
=T2
*
-C2
2
/2010, К (12.83)


T2
=384-2872
/2010=343 К


на выходе:


T3
=T2
*
-C3
2
/2010, К (12.84)


T3
=384-1602
/2010=371 К


Давление за безлопаточным диффузором


P3
=P2
×(T3
/T2
)m3/(m3-1)
, МПа (12.85)


Принимаем Р2
»Р2

.


P3
=0,155 ×(371 /343)2,345
=0,187 МПа


Число Маха на выходе из безлопаточного диффузора


С3


MС3
= ¾¾¾¾ , (12.86)


20,1×Ö T3


160


MС3
= ¾¾¾¾¾ =0,41


20,1×Ö 371


Плотность воздуха на выходе из безлопаточного диффузора


P3
×106


r3
= ¾¾¾ , кг/м3
(12.87)



×T3


0,187×106


r3
= ¾¾¾¾ =1,756 кг/м3


287×371


12.5 Расчет улитки


Воздух из диффузора поступает в улитку служащую для сбора потока и подвода его к впускному трубопроводу. В улитке происходит дальнейшее расширение воздуха, снижение скорости потока и повышение давления, т.е. улитка выполняет ту же функцию, что и диффузор.


Радиус входного сечения улитки


j j


Rj
= ¾¾ ×l3
×tg(a3
) + ¾¾ ×D3
×l3
×tg(a3
), м (12.88)

360 360


где j – угол захода улитки, °.


Принимаем j=360°.





360 360


Rj
= ¾¾ 0,0045×tg(20,8°) + ¾¾ 0,153×0,0045×tg(20,8°)=0,018 м

360 360


Радиус поперечного сечения выходного диффузора


Rk
=Rj
+tg(g/2)×lвых
, м (12.89)


где g – угол расширения выходного диффузора, °;


lвых
- длина выходного диффузора, м.


Принимаем g =10°.


lвых
=(3…6)×Rj
, м (12.90)


lвых
=6×0,018=0,107 м


Rk
=0,018+tg(10°/2)×0,107=0,027 м


КПД улитки выбирается из диапазона h5
=0,3…0,65


Принимаем h5
=0,65

Показатель степени в уравнении политропного сжатия в улитке


m5
k


¾¾ = ¾¾ ×h5
, (12.91)


m5
-1 k-1


m5
1,4


¾¾ = ¾¾ ×0,65=2,275


m5
-1 1,4-1


Скорость на выходе из улитки




Ck
= ¾¾¾¾ , м/с (12.92)


p×Rk
2
×rk


где r'к
– плотность воздуха на выходе из компрессора, кг/м3
.


Принимаем r'к
=r4
.


0,196


Ck
= ¾¾¾¾¾¾¾¾ =48 м/с


3,14×0,0272
×1,756


Температура на выходе из улитки


Tk
=Tk
*
-Ck
2
/2010, К (12.93)


Принимаем Tк
*
=T2
*
.


Tk
=384-48,72
/2010=383 К


Давление на выходе из улитки


Pk

=P4
×(Tk
/T4
)m
5/(
m
5-1)
, МПа (12.94)


Pk

=0,187×(383/371)2,275
=0,201 МПа


12.6 Анализ основных параметров ступени компрессора по результатам


расчета


Погрешность давления наддува


Конечное давление после компрессора P'k
необходимо сравнить с давлением Pk
указанным в задании и определить DPk
, а так же погрешность расчета e.


DPk
=P'k
-Pk
, МПа (12.97)


DPk
=0,201-0,2=0,001 МПа


100%


e=DPk
× ¾¾¾ , (12.98)


Pk


100%


e=0,001× ¾¾¾ =0,5 %


0,201


Внутренняя мощность, потребляемая ступенью компрессора


N1
=Nk
=Gв
×L1
, кВт (12.99)


где L1
-внутренний напор колеса.


N1
=Nk
=0,196×90,62 =17,76 кВт


Частота вращения ротора компрессора


U2


nk
=60× ¾¾¾ , мин-1
(12.100)


p×D2


322


nk
=60× ¾¾¾¾ =72350 мин-1


3,14×0,085


12.7 Расчет радиальной центростремительной турбины


Основные характеристики турбины


Фактический расход газа через турбину с учетом утечек газа и воздуха через неплотности


Gr

=Gr
×hут
, кг/с (12.101)


где hут
– коэффициент утечек.


Принимаем hут
=0,98.


Gr

=0,203×0,98=0,199 кг/с


КПД турбины с учетом механических потерь турбокомпрессора в целом определяется по ГОСТ 9658-81 для турбокомпрессора выбранного по диаметру рабочего колеса компрессора hт
=0,72.


Необходимая адиабатическая работа расширения газа в турбине отнесенная к 1 кг газа


Lк.


Lад.т.
= ¾¾ × ¾¾ , Дж/кг (12.102)


hт.
Gr


Принимаем Lк
=L1
;


90620 0,196


Lад.т.
= ¾¾¾ × ¾––––¾¾ =123964 Дж/кг


0,72.
0,199


Давление газов перед турбиной


P4



= ¾¾¾¾¾¾¾¾¾ , МПа (12.103)



-1 Lад.т.


(1- ¾¾ × ¾¾ )k
г/(
k
г-1)




×Tг


0,104



= ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ =0,183 МПа


1,34-1 123964


(1- ¾¾¾ × ¾¾¾¾)1,34/(1,34-1)


1,34 289×810


12.8 Расчет соплового аппарата турбины


Выбор степени реактивности турбины


r=0,45...0,55 (12.104)


Принимаем r =0,5.


Выбор угла выхода газового потока из соплового аппарата


a1
=15...30° (12.105)


Принимаем a1
=20°.


Адиабатная работа расширения газа в сопловом аппарате


Lc
=(1-r)×Lад.т.
, Дж/кг (12.106)


Lc
=(1-0,5)×123964=61982 Дж/кг


Абсолютная скорость газов на выходе из соплового аппарата


C1
=jc
×Ö 2×Lc
+C0
2
, м/с (12.107)


где jc
– коэффициент скорости учитывающий потери в сопловом аппарате;


С0
– средняя абсолютная скорость на входе в сопловой аппарат, м/с.


Принимам jc
=0,94; С0
=80 м/с





C1
=0,94×Ö 2×61982+802
=350 м/с


Радиальная составляющая абсолютной скорости перед рабочим колесом


C1
r
=C1
×sin a1
, м/с (12.108)


C1
r
=350×sin 20°=120 м/с


Окружная составляющая абсолютной скорости перед рабочим колесом.


C1
u
=C1
×cos a1
, м/с (12.109)


C1
u
=350×cos 20°=329 м/с


Температура потока на выходе из соплового аппарата


C1
2
-C0
2


T2
=T1
- ¾¾¾¾¾¾ , К (12.110)


2×Rг
×kг
/(kг
-1)


3502
-802


T2
=810 - ¾¾¾¾¾¾¾¾ =760 К


2×289×1,34/(1,34-1)


Число Маха на выходе из соплового аппарата


C1


Ma1
= ¾¾¾¾ , (12.111)


Ökг
×Rг
×Tг


350


Ma
1
= ¾¾¾¾¾¾¾ =0,625


1,34×289×810


Окружная скорость рабочего колеса на входе


U1
=C1
u
+(10…50), м/с (12.112)


U1
=329+11=340 м/с


Угол между векторами относительной скорости и окружной составляющей абсолютной скорости С1u


b1
=90°+arctg((U1
-C1u
)/C1r
), ° (12.113)


b1
=90°+arctg((340-329)/120)=95,24°


Диаметр рабочего колеса турбины


U1


D3
=60 × ¾¾ , м (12.114)


p×nт


где nт
- частота вращения вала турбины, мин-12.


340


D3
=60 × ¾¾¾¾¾ =0,09 м


3,14×72350


Потери энергии в сопловом аппарате


1 C1
2


DLc
= ( ¾ – 1) × ¾ , Дж/кг (12.115)



2
2


1 3502


DLc
=(¾¾¾ -1) × ¾¾ =8069 Дж/кг


0,942
2


Температура заторможенного потока на выходе из соплового аппарата


C1
2


T2
*
=T2
+ ¾¾¾¾¾¾ , К (12.116)


2×Rг
×kг
/(kг
-1)


3502


T2
*
=760 + ¾¾¾¾¾¾¾¾ =814 К


2×289×1,34/(1,34-1)


Приведенная скорость, характеризующая характер проточной части турбины


C1


l1
= ¾¾¾¾¾¾¾¾ , (12.117)


Ö 2×kг
×Rг
×T2
*
/(kг
-1)


350


l1
= ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾–– =0,256


Ö 2×1,34×289×814/(1,34-1)


Показатель политропы расширения в сопловом аппарате




DLc


¾¾ = ¾¾ - ¾¾¾¾¾ , (12.118)



-1 kг
-1 Rг
×(T1
-T2
)



1,34 8069


¾¾ = ¾¾¾ - ¾¾¾¾¾¾––– =3,38



-1 1,34-1 289×(810-760)


Давление газов на выходе из соплового аппарата


P2
=P1
×(T2
/T1
)m
с/(
m
с-1)
, МПа (12.119)


P2
=0,183×(760/810)3,38
=0,148 МПа


Плотность газа на выходе из соплового аппарата


P2
×106


r2
= ¾¾¾ , кг/м3
(12.120)



×T2


0,148×106


r2
= ¾¾¾¾ =0,672 кг/м3


289×760


Выходной диаметр соплового аппарата


D2
=D3
×D2
, м (12.121)


где D2
– относительный диаметр соплового аппарата


Принимаем =1,08.


D2
=0,09 ×1,08=0,097 м


Входной диаметр соплового аппарата


D1
=D3
×D1
, м (12.122)


где D1
– относительный диаметр соплового аппарата


Принимаем D1
=1,4 м.


D1
=0,097 ×1,4=0,136 м


Высота лопаток соплового аппарата (ширина проточной части)





l1
= ¾¾¾¾¾¾¾¾¾ , м (12.123)


p×r2
×C1
×D2
×sin a1


0,199


l1
= ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ =0,008 м


3,14×0,672×350×0,097×sin 20°


12.9 Расчет рабочего колеса


Выбор числа лопаток рабочего колеса



=11…18 (12.124)


Принимаем Zт
=12.

Коэффициент загромождения входного сечения рабочего колеса



×d3


t3
=1- ¾¾¾ , (12.125)


p×D3


где d3
– толщина лопаток на входе, м.


Принимаем d3
=0,001 м.


12×0,001


t3
=1- ¾¾¾¾¾ =0,96


3,14×0,094


Окружная составляющая абсолютной скорости на входе в рабочее колесо


C1
u

=C1
u
×D2
/D3
, м/с (12.126)


C1
u

=329 ×0,097/0,09=355 м/с


Радиальная составляющая абсолютной скорости на входе в рабочее колесо


C1
r

=C1
r
×D2
×r2
×l1
/(l×D3
×r3
×t3
), м/с (12.127)


Принимаем l=l1
; r2
/r3
=1,08.


C1
r

=120×0,097×1,06/(0,09 ×0,96)=142 м/с


Aбсолютная величина входной скорости в рабочее колесо


C1

=Ö C1
u
’2
+C1
r
’2
, м/с (12.128)


C1

=Ö 3552
+1422
=382 м/с


Температура газов на входе в рабочее колесо


C1
’2
-C1
2


T3
=T2
- ¾¾¾¾¾¾ , К (12.129)


2×Rг
×kг
/(kг
-1)


3822
-3502


T3
=760 - ¾¾¾¾¾¾¾¾ = 750 К


2×289×1,34/(1,34-1)


Давление газов на входе в рабочее колесо


P3
=P2
×(T3
/T2
)m
с/(
m
с-1)
, МПа (12.130)


P3
=0,148×(750 /760)3,38
=0,142 МПа


Плотность газов на входе в рабочее колесо


P3
×106


r3
= ¾¾¾ , кг/м3
(12.131)



×T3


0,142×106


r3
= ¾¾¾¾¾ =0,653 кг/м3


289×750


Угол входа потока в рабочее колесо


a1

=arcsin(C1r

/C1

), ° (12.132)


a1

=arcsin(142/382)=21,82°


Относительная скорость потока газа на входе в рабочее колесо





W1

=Ö C1
’2
+U1
2
-2×U1
×C1

×cos a1

, м/с (12.133)





W1

=Ö 3822
+3402
-2×340×382×cos 21,82°=143 м/с


Адиабатная работа газа на рабочем колесе


Lрк
=r×Lад.т.
, Дж/кг (12.134)


Lрк
=0,5×123964=61982 Дж/кг


Наружный диаметр рабочего колеса на выходе


D4
=D3
×D4
, м (12.135)


где D4
– относительный диаметр соплового аппарата


Принимаем D4
=0,8 м.


D4
=0,09×0,8=0,072 м


Диаметр втулки


Dвт
=D3
×Dвт
, м (12.136)


где Dвт
– относительный диаметр соплового аппарата


Принимаем Dвт
=0,28


Dвт
=0,09×0,28=0,025 м


Средний диаметр колеса на выходе


Dср
=Ö (D4
2
+Dвт
2
)/2, м (12.137)


Dср
=Ö (0,0722
+0,0252
)/2=0,054 м


Относительный средний диаметр колеса на выходе


Dср
=Dср
/D3
, м (12.138)


Dср
=0,054/0,072 =0,75 м


Относительная средняя скорость газа на выходе из рабочего колеса


W2
=y×Ö W1
’2
+2×Lрк
-U1
2
(1- Dср
2
), м/с (12.139)


где y – коэффициент скорости.


Принимаем y=0,92.



W2
=0,92×Ö 1432
+2×61982-3402
(1-0,752
)=306 м/с


Температура газов на выходе из рабочего колеса


W2
2


T4
=T3
- ¾¾¾¾¾¾ , К (12.140)


2×Rг
×kг
/(kг
-1)


3062


T4
= - ¾¾¾¾¾¾¾¾ =708 К


2×289×1,34/(1,34-1)


Плотность газов на выходе из рабочего колеса


P4
×106


r4
= ¾¾¾ , кг/м3
(12.141)



×T4


0,104×106


r4
= ¾¾¾¾¾ =0,508 кг/м3


289×708


Площадь проходного сечения на выходе потока из рабочего колеса


F4
=p×(D4
2
-Dвт
2
)/4, м2
(12.142)


F4
=3,14×(0,0722
-0,0252
)/4=3,58×10-3 м2


Угол выхода потока из рабочего колеса


b2
=arcsin(Gr

/(W2
×F4
×r4
)), ° (12.143)


b2
=arcsin(0,199/(306×3,58×10-3
×0,508))=20,95°


Окружная скорость на среднем диаметре выходного сечения


U2
=U1
×(Dср
/D3
), м/с (12.144)


U2
=340×(0,054/0,09)=204 м/с


Окружная составляющая абсолютной скорости газов на выходе из рабочего колеса


C2u
=W2
×cos b2
-U2
, м/с (12.145)


C2
u
=306×cos 20,95°-204=81,8 м/с


Осевая составляющая абсолютной скорости газов на выходе из рабочего колеса


C2
r
=W2
×sin b2
, м/с (12.146)


C2
r
=306×sin 20,95°=109 м/с


Абсолютная скорость газового потока на выходе из рабочего колеса


C2
=Ö C2
u
2
+C2
r
2
, м/с (12.147)


C2
=Ö 81,82
+1092
=136,6 м/с


Работа газа на колесе турбины


Lти
=U1
×C1
u

-U2
×C2
u
, Дж/кг (12.148)


Lти
=340×355-204×81,8=101068 Дж/кг


Окружное КПД турбины


hти
=Lти
/Lад.т.
, (12.149)


hти
=101068/123964=0,815


Потери энергии с выходной скоростью газового потока


DLв
=C2
2
/2, Дж/кг (12.150)


DLв
=136,62
/2=9330 Дж/кг


Потери энергии на лопатках рабочего колеса


DLл
=(1-y2
)×W2
2
/2, Дж/кг (12.151)


DLл
=(1-0,922
)×3062
/2=7191 Дж/кг


Потери на трение диска рабочего колеса


U1
r2
+r3


DLтр
=b×(¾¾)3
×D3
2
× ¾¾ ×736 , Дж/кг (12.152)


100 2×G¢г


Принимаем b=5


340 0,647+0,622


DLтр
=5×(¾¾)3
×0,092
× ¾¾¾¾¾ 736=3735 Дж/кг


100 2×0,199


Адиабатный КПД турбины


DLс
+DLл
+DLв
+DLтр
+DLут


hад.т.
=1- ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ , (12.153)


Lад.т.


где DLут
– потери в результате утечек газа через неплотности.


DLут
=0,02×Lт.ад.
, Дж/кг (12.154)


DLут
=0,02×123964=2479 Дж/кг


8069+7191+9330+3735+2479


hад.т.
=1- ––––––––––––––––––––––––––––= 0,75


123964


Эффективный КПД турбины


hт.е
=hад.т.
×hмех
, (12.155)


где hмех
– механический КПД турбины.


Принимаем hмех
=0,97


hт.е
=0,97×0,75=0,73


Расчетное значение КПД турбины отличаться от принятого ранее на 1,4%.


Эффективная мощность турбины


N1
=Lад.т.
×G¢г
×hт.е
, кВт (12.156)


N1
=123964×0,199×0,73=18 кВт


Полученная мощность турбины отличается от мощности требуемой на привод компрессора на 1,2 %. Баланс мощностей выполнен.

Сохранить в соц. сетях:
Обсуждение:
comments powered by Disqus

Название реферата: Основные сведения о системе газотурбинного наддува

Слов:5794
Символов:68423
Размер:133.64 Кб.