Тема: Расчет компрессора и турбины

1.Расчет компрессора.

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, кг/с

,

где — коэффициент продувки; — коэффициент избытка воздуха, дизель с наддувом; кг возд/кг топл. — количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг жидкого топлива;

– часовой расход топлива, кг/ч.

Плотность воздуха на входе в компрессор, кг/м³;

где - удельная газовая постоянная воздуха, Дж/(кг К).

Объемный расход воздуха через компрессор, м³/с

Расчет входного устройства и рабочего колеса. Температура воздуха в сечении — (см. рисунок 1).

Давление воздуха в сечении —

,

где — потери давления на всасывании в компрессор, МПа.

Степень повышения давления воздуха в компрессоре

,

где - МПа – давление наддувочного воздуха.

 

Рис.1. Схема проточной части центробежного компрессора

с лопастным диффузором.

 

По известным значениям и используя графические зависимости (см. рисунок 2), определяем типоразмер турбокомпрессора, а по таблице 1 находим номинальный базовый диаметр колеса компрессора — .

Адиабатическая работа сжатия в компрессоре, Дж/кг

где - показатель политропы.

Окружная скорость на наружном диаметре колеса компрессора, м/с

,

где — коэффициент напора.

Частота вращения колеса компрессора, об/мин

 

Рисунок 2. Расходные характеристики турбокомпрессора

по ГОСТ 9658-66.

 

Температура воздуха на входе в колесо компрессора (сечение — ), К

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

Потери в воздухоподводящем патрубке компрессора, Дж/кг

где — коэффициент потерь для патрубков с осевым входом.

Показатель политропны на участке входа воздуха в компрессор определяем из выражения

Давление перед колесом компрессора, МПа

Плотность воздуха в сечении — , кг/м³

.

Площадь поперечного сечения — , м²

.

Диаметр рабочего колеса на входе в компрессор, мм

где — отношение диаметра втулки колеса к его диамату на

входе.

Диаметр втулки рабочего колеса компрессора, мм

.

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. Для колес малых диаметров мм принимают меньшее значение .

Окружная составляющая абсолютной скорости на выходе из колеса, м/с

Радиальная составляющая абсолютной скорости, м/с

.

Абсолютная скорость воздуха на выходе из колеса (см. рисунок 1), м/с

.

Обычно .

Температура воздуха на выходе из колеса, К

где — коэффициент дисковых потерь.

Давление воздуха на выходе из колеса, МПа

.

где - показателем политропы сжатия в рабочем колесе

Плотность воздуха за рабочим колесом, кг/м³

.

Высота лопаток рабочего колеса на диаметре (см. рисунок 1), мм

.

Относительная высота лопаток в выходном сечении колеса

.

Относительная ширина колеса компрессора

,

где — ширина колеса компрессора, м.

Расчет диффузоров и воздухосборника. Ширину лопаток диффузора принимаем равной высоте лопаток колеса на выходе (см. рисунок 1)

.

Абсолютная скорость на выходе из безлопаточного диффузора, м/с

где — относительный наружный диаметр диффузора.

Отношение не должно превышает .

Наружный диаметр безлопаточного диффузора, м

Давление за лопаточным диффузором, МПа

Температура воздуха за лопаточным диффузором, К

.

где - показатель политропы сжатия в диффузорах.

Скорость воздуха на выходе из лопаточного диффузора, м/с

Наружный диаметр лопаточного диффузора (см. рисунок 1) находится в пределах .

Ширина лопаточного диффузора на выходе, мм

где — угол раскрытия стенок лопаточного диффузора.

Скорость воздуха на выходе из воздухосборника, м/с

.

Потери в воздухосборнике (улитке) Дж/кг

,

где — коэффициент потерь в воздухосборнике.

Давление на выходе из улитки, МПа

,

где – температура на выходе из улитки.

Давление воздуха в компрессоре можно повысить, если выходной патрубок воздухосборника будет диффузорным (см. рисунок 3).

Расчет основных параметров компрессора.

Конечное давление на выходе из компрессора не должно отличается от принятого более чем на %.

Действительная степень повышения давления в компрессоре

.

Адиабатический к. п. д. компрессора

,

 

Рис. 3. Схема улитки.

 

Адиабатическая работа, определенная по действительной степени повышения давления, Дж/кг

Коэффициент напора

Величина не должно отличается от принятого в расчете более чем на %.

Мощность, затрачиваемая на привод компрессора, кВт

.

 

2.Расчет турбины.

Количество выпускаемых газов, поступающих на турбину от двигателя кг/с

.

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

Температура газа перед турбиной при , К

,

где — температура газа в выпускном патрубке; — показатель политропы расширения в процессе выпуска; К — температура в конце процесса расширения; МПа — значения давления в конце процесса расширения;

Необходимо иметь в виду, что температура газа пред турбиной при длительной работе двигателя не должно превышать значений приведенных в таблице 1.

Противодавление за турбиной МПа.

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

Молекулярная масса газа перед турбиной находится с учетом параметров, определенных в тепловом расчете дизеля, кг/кмоль

;

где — коэффициент молекулярного изменения свежей смеси; кг/кмоль — масса 1 кмоль воздуха.

Газовая постоянная выпускных газов Дж/(кг К)

;

где Дж/кмоль град — универсальная газовая постоянная.

В соответствии с определенным ранее типом турбокомпрессора, принимаем для расчета изобарную радиальную турбину с к.п.д. равным принимают из таблицы 1.

Давление газа перед турбиной, МПа

Для четырехтактных двигателей.

Расчет направляющего аппарата (сопла).

Полная адиабатическая работа расширения газа в турбине, Дж/кг

Адиабатическая работа расширения в направляющем аппарате, Дж/кг

где — степень реактивности.

Абсолютная скорость газа перед рабочим колесом, м/с

,

где — коэффициент скорости.

Температура газа за направляющим аппаратом, К

.

Число Маха

Если , то поток газа – дозвуковой и сопло турбины должно быть конфузорного типа (суживающееся).

Рисунок 4. Схема проточной части радиальной турбины

 

Радиальная и окружная составляющие абсолютной скорости газа перед рабочим колесом (см. рисунок 4), м/с

;

,

где — угол выхода потока из направляющего аппарата.

Угол входа потока на лопатки рабочего колеса

,

где — окружная скорость на наружном диаметре колеса.

С целью повышения к. п. д. турбины принимают приближенно на %.

Условная адиабатическая скорость истечения газа, м/с

.

Параметр быстроходности турбины

,

лежит в диапазоне 0,65—0,70.

Относительная скорость потока перед колесом, м/с

.

Наружный диаметр рабочего колеса, мм

.

Необходимо иметь в виду, что .

Потери энергии в направляющем аппарате, Дж/кг

Входной диаметр направляющего аппарата определяется величиной , которая в выполненных конструкциях турбины изменяется в пределах , мм

.

Показатель политропы расширения в направляющем аппарате

.

Давление газа на выходе из направляющего аппарата, МПа

Плотность газового потока, кг/м³

Ширина лопаток направляющего аппарата, мм

.

Расчет рабочего колеса. Адиабатическая работа расширения газа в колесе турбины, Дж/кг

.

Данные расчета конструктивных параметров рабочего колеса запишем в таблицу 2.

Относительная скорость газа на выходе из рабочего колеса, м/с

,

где — коэффициент скорости, учитывающий потери в рабочем колесе турбины; — относительный среднеквадратичный диаметр колеса на выходе.

Окружная скорость на диаметре , м/с

.

Считая выход потока газа осевым , из треугольника скоростей (см. рисунок 4) находим величину абсолютной скорости на выходе из колеса, м/с

.

Температура газа на выходе из колеса, К

,

где — коэффициент дисковых потерь.

Адиабатический к. п. д. турбины без учета потерь с выходной

скоростью

.

Адиабатический к. п. д. турбины с учетом потерь с выходной скоростью

Общий к. п. д. турбины

,

где — механический к. п. д. турбокомпрессора.

Расчетное значение величины не должно отличаться более чем на %. В противном случае требуется повторить расчет, изменив газодинамические и конструктивные параметры турбины.

К. п. д. турбокомпрессора

.

Мощность, развиваемая турбиной, кВт

должна соответствовать мощности , потребляемой компрессором т.е. .

 

Основные параметры и размеры	Типоразмеры
ТКР-7	ТКР-8,5	ТКР-11	ТКР-14	ТКР-18	ТКР-23
Номинальный базовый диаметр колеса компрессора, мм Степень повышения давления
1,3-1,9	1,3-2,5	1,3-3,5
Температура газов перед турбиной при длительной работе, °С не более
Максимальная температура газов перед турбиной, допускается в течении 1 ч, °С не более
К.п.д. компрессора на заданном режиме, не менее: с лопастным диффузором с безлопастным диффузором К.п.д. турбины, не менее	Применение лопаточного диффузора не рекомендуется	0,75   0,72   0,74	0,76   0,72   0,76	0,78   0,74   0,76
0,66   0,70	0,68   0,72	0,70   0,74

Таблица 1

 

 

Таблица 2

Параметры	Значение, м
Внутренний диаметр при
Втулочный диаметр при
Среднеквадратичный диаметр колеса на выходе
Ширина лопаток колеса на входе
Ширина колеса при

 

Лабораторная работа №7 (время 2ч)