Материал: 2157
Рис. 5.2. Поля характеристик турбокомпрессоров ( к – расход воздуха Мк)
Выбор диаметра колес компрессора и турбины необходим для начала расчета турбокомпрессора. В процессе расчета уточняются размеры колес, диффузоров, спиральных камер (улиток), КПД и делается выбор требуемой марки турбокомпрессора.
Необходимо помнить, что колесо при меньшем диаметре имеет меньшую массу и менее инерционно (быстрее реагирует на изменение нагрузки), но увеличивает потери энергии в результате уменьшения проходных сечений каналов.
Диаметр колеса компрессора указан в обозначении турбокомпрессора (ТКР-7 − турбокомпрессор с радиальной центростремительной турбиной и центробежным компрессором с наружным диаметром колеса 7 см).
Согласно ГОСТ 9658-81 за нормальные приняты наружные диаметры колес, равные 5,5; 7; 8,5; 11; 14; 18; 23 см. Центробежные компрессоры по конструктивному исполнению бывают низкого давления (Н) до 0,19 МПа, среднего (С) 0,19–0,25 МПа и высокого (В), более 0,25 МПа (давление абсолютное).
На рис. 5.3 приведена схема проточной части турбокомпрессора, а на рис. 5.4 показано изменение параметров воздуха при его прохождении по различным сечениям компрессора.
48
Воздух поступает во входной патрубок компрессора (сечение 0) со скоростью Со, давлением Ро и температурой То. Величина скорости Со зависит от площади входного патрубка, средней скорости поршня и его площади. Определяется из уравнения постоянства расходов. При входе в колесо (сечение 1) скорость С1 увеличивается по причине уменьшения площади (из-за наличия лопаток). Давление и температура незначительно снижаются. Между сечениями 1 и 2 происходит работа над газом с целью его уплотнения. Скорость С2, температура Т2 и давление Р2 резко возрастают. В результате расширения каналов диффузора (сечение 2 – 3) и улитки (сечение 3 – 4) скорость воздуха снижается, а температура и давление растут. Давление Р4 есть давление на выходе из компрессора Рк .
Рис. 5.3. Схема проточной части центробежного компрессора: 1 – рабочее колесо; 2 – диффузор; 3 – улитка
49
Рис. 5.4. Изменение скорости С, давления Р и температуры Т в различных сечениях турбокомпрессора
Расчет ступени компрессора начинают с определения массового секундного расхода воздуха, проходящего через его каналы. Проточной частью компрессора или турбины называют систему устройств, по которым движется газ. Скорость газа в проточной части установок изменяется путем геометрического воздействия – изменением площади поперечного сечения потока по его длине. В компрессоре энергия к воздуху подводится в рабочем колесе (подвод технической или располагаемой работы путем вращения колеса), в других каналах она только преобразуется. Расчет компрессора выполняют в следующей последовательности:
Сначала определяют скорость воздуха, затем его температуру, давление и плотность (C→T→P→ρ).
Зная подачу воздуха компрессором и поперечное сечение каналов компрессора, находится средняя скорость воздуха (при необходимости потери энергии), затем температура, давление и плотность. В результате торможения потока газа в расширяющихся каналах молекулы воздуха сближаются и температура повышается. По изменению температуры определяют давление и плотность газа.
5. После определения необходимой массовой подачи воздуха компрессором находим по выбранной допустимой скорости воздуха на входе в патрубок (корпус) компрессора площадь сечения и диаметр из выражения
50
Мk MД F0.вх С0 0 , |
(5.5) |
где Fо.вх – площадь поперечного сечения на входе в патрубок (корпус) компрессора, м2; Со – скорость воздуха на входе в патрубок (30 − 80 м/с); ρо– плотность воздуха (при 20 0С), равна 1,2 кг/м3,
|
|
F |
|
Мк |
, |
|
|
||||
|
|
о.вх |
|
C0 о |
|
где 0 |
Р |
; Р = 0,98 105 Па (атмосферное давление); Т = 293 К; |
|||
|
|||||
|
R T |
|
|
|
|
R = 287 Дж /(кг· К).
Внутренний диаметр входного патрубка определяем по формуле
D0.вх 2 
F0.вх .
При входе в колесо (сечение 1) скорость С1 увеличивается по причине уменьшения площади (из-за наличия лопаток, площади вала
иступицы). Давление и температура незначительно снижаются.
6.Зная массовую подачу воздуха компрессором, находим его параметры на входе в колесо:
Мk Fвх.к С1 1, |
(5.6) |
где Fвх.к – площадь поперечного сечения на входе в колесо компрессора, м2; С1 – скорость воздуха на входе в компрессор (50 − 100 м/с); ρ1– плотность воздуха (при 20 0С), равна 1,2 кг/м3,
F |
|
Мк |
. |
|
|
||||
вх.к |
|
С |
||
|
1 |
1 |
|
|
7. Диаметр колеса на входе в компрессор определим из выраже-
ния
D 2 |
Fвх.к |
. |
(5.7) |
|
|||
1 |
|
|
|
|
|
||
Наружный диаметр колеса компрессора D2К выбран согласно прототипу по графику полей характеристик турбокомпрессоров (πк – расход воздуха) (см. рис. 5.2). Например, выбрали турбокомпрессор типа ТКР -5,5, у которого наружный диаметр колеса компрессора D2К = 5,5 см. Из соотношения D1/D2К = 0,55 − 0,70 определим диаметр колеса D1 на входе.
51
Диаметр ступицы (втулки колеса) D0 выбирается из конструктивных соображений, обычно отношение D0 / D1 = 0,3 – 0,5.
Более точное значение площади на входе в колесо (м2) находим из выражения
Fвх.к = F1 – F0 , где F1 = π D21 / 4, F0 = π D20 / 4.
Определив значение Fвх.к , вычисляем среднюю скорость воздуха на входе в колесо
С1= Мк / (Fвх.к· ρ1) .
Между сечениями 1 и 2 происходит работа над газом (воздухом) и его уплотнение. Скорость С2, температура Т2 и давление Р2 резко возрастают.
8. Определяем окружную скорость на выходе из колеса компрессора (касательная к окружности колеса или перпендикулярная к радиусу вращения)
U2 |
|
Lад |
, |
(5.8) |
|
|
|||||
|
|
нап |
|
||
|
|
|
|
||
где La – адиабатная работа сжатия; ηнап – напорный адиабатный КПД (0,6 − 0,75), характеризует способность колеса создавать напор.
Для подачи воздуха в цилиндры двигателя необходимо осуществить его впуск в компрессор, сжатие и нагнетание. Принимаем, что сжатие происходит без подвода и отвода теплоты (адиабатно).
9. Общую удельную работу (Дж/кг) при адиабатическом сжатии находим из выражения
|
k 1 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
k |
|
|
|||||
|
|
|
|
, |
(5.9) |
||
Lад cp Ta |
k |
|
|
|
1 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
где ср= 1005 Дж/(кг·К) – удельная массовая изобарная теплоемкость воздуха; Та= 293 К – температура на входе в компрессор, k 1,4 – показатель адиабаты; πк – степень повышения давления на выходе из компрессора.
10. Зная окружную скорость и диаметр колеса, находим частоту вращения вала колеса компрессора nk из формулы
U |
2 |
R |
2 |
|
nk |
|
D2K |
, |
n |
k |
|
60U2 |
. |
(5.10) |
|
||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||
|
|
30 2 |
|
|
D |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2K |
|
|
52