Смекни!
smekni.com

Основные сведения о системе газотурбинного наддува (стр. 1 из 6)

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

gе×Nе×M1×mв

Gв= ¾¾¾¾¾¾ , кг/с (12.1)

3600×k

где Ne – эффективная мощность двигателя, кВт;

mв - относительная молекулярная масса воздуха, кг/кмоль.

М1 – количество воздушного заряда, кмоль/кг;

gе – 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

Gв= 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;

Rв - 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

Nк=Gв×lд.к. ×10-3, кВт (12.5)

Nк=0,196×90630×10-3=17,75 кВт

Мощность необходимая на турбины

Nк

Nт= ¾¾ , кВт (12.6)

hмех

где hмех – механический КПД турбокомпрессора.

Принимаем hмех=0,97.

17,75

Nт= ¾¾¾ =18,49 кВт

0,96

Расход отработавших газов через турбину

gе×Nе

Gт= 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

Gт= ¾¾¾¾¾ ×(1+0,948×28,97)=0,203 кг/с

3600

Удельная работа адиабатного расширения отработавших газов в турбине

lад.к. Gв

lад.т.= ¾¾ × ¾¾ , Дж/кг (12.8)

hад.т. Gт

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

Pа*=Po-DPвф, МПа (12.9)

где DPвф – потери давления в воздушном фильтре, МПа.

Принимаем DPвф=0,004 МПа.

Pа*=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)