Материал: 2471

12.РАСЧЕТ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА

ИЦЕНТРОСТРЕМИТЕЛЬНОЙ ТУРБИНЫ

12.1.Методика расчёта центробежного компрессора

срадиальными лопатками

Главное назначение центробежного компрессора – обеспечение двигателя внутреннего сгорания на всех режимах работы необходимым количеством воздуха (кислородом), способствуя полному сгоранию топлива при минимальном удельном расходе и низкой токсичности выхлопных газов. Двигатель форсируется за счет увеличения плотности воздуха, нагнетаемого в цилиндр, и повышения подачи топлива.

В современных двигателях для повышения плотности воздуха применяют преимущественно центробежные компрессоры обычно с радиальными лопатками. Компрессор устанавливается на одном валу с газовой турбиной, такой агрегат получил название «турбокомпрессор». Отработавшие газы поступают на колесо турбины под переменным (импульсно) или постоянным (изобарно) давлением. В настоящем пункте расчеты выполнены для изобарной турбины.

На рис. 12.1 показан вид турбокомпрессора [39]. В левой части изображен разрез компрессора, а в правой – турбины. Колеса компрессора и турбины расположены жестко на одном валу. Смазка подшипника скольжения вала производится под давлением от системы смазки двигателя. Охлаждение турбокомпрессора осуществляется потоком масла и циркулирующей жидкостью из системы охлаждения двигателя.

При расчете компрессора определяют требуемое количество воздуха для двигателя, подачу воздуха одним компрессором (если их несколько), степень повышения давления, прототип, наружный диаметр колеса, частоту вращения, общую работу, затраченную на впуск, сжатие и нагнетание воздуха, изменение температуры и давления в каналах компрессора и коэффициент полезного действия (КПД).

Прототип – образец изделия, явившийся основой или примером для разработки нового изделия, улучшенного с исходным образцом. Аналог изделия – изделие, сходное по каким-либо однородным характеристикам.

5 6

4

3

10 9

Рис. 12.1. Разрез турбокомпрессора:

1 – вход воздуха в компрессор; 2 – рабочее колесо компрессора; 3 – диффузор; 4 – спиральная камера (воздухосборник, улитка с выходом сжатого воздуха из компрессора);

5 – узел подшипника; 6 – улитка турбины; 7 – рабочее колесо турбины; 8 – выход газов из турбины; 9 – корпус турбины; 10 – вход в турбину отработавших газов двигателя

1.1. Требуемое массовое количество воздуха для двигателя оп-

ределяется из выражения

где – коэффициент избытка воздуха (1,6 − 2,0) для дизеля; L0 – теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1кг топлива (15 кг); ge – удельный расход топлива, кг/(кВт ч) (0,18 − 0,22); Ne – мощность двигателя, кВт; – коэффициент продувки (1,1 − 1,2).

1.2. С учетом выбранного числа компрессоров ik необходимая подача воздуха одним компрессором находится по формуле

Для рядных двигателей обычно устанавливают один компрессор, для V – образных – два.

1.3. Определим среднее эффективное давление Ре. Для четы-

рехтактного двигателя эффективная мощность определяется выражением

где Vh – рабочий объем цилиндра, л ; i – число цилиндров; n – частота вращения коленчатого вала, мин-1.

После преобразования выражения (12.3) получим

1.4. Величину давления воздуха на выходе из компрессора для четырехтактных двигателей определяем из соотношения

где Ро – давление на входе в компрессор (атмосферное давление). Зная πк и Мk, по графику полей характеристик турбокомпрессо-

ров (πк – расход воздуха) (рис. 12.2) выбираем прототип компрессора. При выборе прототипа важным является определение наружного диаметра колеса компрессора.

Рис. 12.2. 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 и заводаизготовителя.

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. 12.3 приведена схема проточной части турбокомпрессора, а на рис. 12.4 показано изменение параметров воздуха при его прохождении по различным сечениям компрессора.

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. 12.3. Схема проточной части центробежного компрессора: 1 – рабочее колесо; 2 – диффузор; 3 – улитка

Рис. 12.4. Изменение скорости С, давления Р и температуры Т в различных сечениях турбокомпрессора