Материал: 2471

Внутренний КПД турбины есть отношение затраченной работы к подведенной (с учетом всех потерь). Он достигает 0,7 − 0,8. К потерям энергии следует отнести потери, связанные с перетеканием газа через зазоры между колесом турбины и корпусом, а также потери на вихреобразование и трение в каналах колеса. Потери энергии в колесе составляют примерно 10 % от работы газа на колесе турбины Lu.

2.9. Внутренний КПД турбины

2.10. Эффективный КПД турбины (полный) достигает 0,7 − 0,8 и определяется из выражения

где М – механический КПД, учитывает потери энергии на трение в подшипниках скольжения, равен 0,96 − 0,98.

2.11. Мощность на валу турбины, кВт:

Мощность турбины должна быть равна мощности компрессора (допускается расхождение не более 5 %).

2.12. Общий КПД турбокомпрессора достигает значения

0,5 ̶0,6 и находится по формуле

Более подробно методика расчета колеса компрессора и турбины приведена в работах [25].

Определив основные размеры колеса компрессора и турбины, соплового аппарата компрессора (диффузора) и турбины, КПД, выбрав схему подвода газа к турбине и автоматическое регулирование, заводизготовитель, выбирают марку турбокомпрессора, проводят испытание (доводку) на двигателе и внедряют в производство.

В табл. 12.1 приведены технические характеристики отечественных турбокомпрессоров (компрессора и турбины).

Турбокомпрессоры ТКР-5,5 выпускаются с регулирующим клапаном, что позволяет изменять мощность на валу турбины путем перепуска газов мимо рабочего колеса [13].

Наряду с отечественными турбокомпрессорами в двигателях применяют и зарубежные. Из зарубежных представляет интерес турбокомпрессоры фирмы ККК (Kuhnle, Kopp Kausch – Германия, Франция, США). Фирма выпускает ряд турбокомпрессоров (КО, К1, К2, К3, К4, К5) с подачей воздуха от 0,02 до 2 кг/с и степенью повышения давления от 1,5 до 4 для двигателей мощностью от 20 до 1000 кВт. Турбокомпрессоры имеют высокий КПД и автоматическую систему регулирования. Широкое применение получили системы с перепуском газа мимо турбины.

Таблица 12.1

Параметры турбокомпрессоров предприятия «Воронежский механический завод»

Таким образом, в данном разделе:

1.Дана методика расчета центробежного компрессора и центростремительной турбины, позволяющая производить выбор турбокомпрессора для наддува двигателя внутреннего сгорания, форсированного по мощности. Эффективность турбокомпрессора оценивается максимальным значением КПД компрессора и турбины.

2.В приведенной методике расчета давление в каналах компрессора определяется по изменению скорости и температуры газа. В основу расчета центростремительной турбины положены газодинамические функции параметров торможения газа.

3.Рассмотрен выбор прототипа турбокомпрессора по требуемой подаче воздуха и степени повышения давления, что позволяет определить наружный диаметр колеса компрессора, турбины и технические данные турбокомпрессора.

4.Приведены характеристики отечественных и зарубежных турбокомпрессоров, применяемых в современных двигателях.

Контрольные вопросы

1.Принцип работы системы с газотурбинным наддувом.

2.Устройство и принцип действия центробежного компрессора и цен-

тростремительной турбины.

3.Что называют степенью повышения давления в компрессоре?

4.Порядок выбора прототипа турбокомпрессора.

5.Как изменяется скорость, температура и давление в проточной части компрессора?

6.Для какой цели в улитке компрессора расширяют каналы ?

7.Как определяется адиабатная работа на колесе компрессора?

8.Какая турбина называется активной и реактивной?

9.Порядок расчета центростремительной турбины.

13. ОСНОВЫ РАСЧЕТА И ВЫБОРА ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

13.1. Основные формулы, используемые при расчете теплообменных аппаратов

Для нормальной работы поршневой группы, других механизмов и систем двигателя внутреннего сгорания необходимо до 30 % теплоты, которая выделяется при сгорании топлива, отводить в систему охлаждения. Основным теплообменным аппаратом является радиатор, который рассеивает теплоту в окружающую среду. Охлаждение радиатора происходит потоком холодного воздуха, перемещаемого вентилятором.

Большинство современных двигателей имеют систему газотурбинного наддува, которая служит для повышения давления воздуха в цилиндре двигателя, что позволяет увеличить подачу топлива и мощность двигателя. При сжатии воздуха в каналах центробежного компрессора его температура повышается, что приводит к снижению плотности. Для охлаждения воздуха применяют теплообменники типа «воздух − воздух» или «воздух − жидкость».

Передача теплоты от более нагретого к менее нагретому телу осуществляется тремя видами теплообмена: теплопроводностью, конвективным и лучистым теплообменами. При расчете теплообменных аппаратов передача теплоты осуществляется теплопроводностью.

Теплопроводность – это процесс распространения теплоты в рабочем теле посредством передачи кинетической энергии от более нагретых молекул к менее нагретым.

Поверочный расчет и выбор теплообменного аппарата (теплообменника) производится с целью охлаждения двигателя или его систем. Подогрев (охлаждение) осуществляется для неподвижной массы жидкости или газа, кг, или движущегося с массовым расходом, кг/с.

Количество теплоты Q, Дж, необходимое для нагрева жидкости массой М, кг, на требуемую величину изменения температуры, определяют из выражения [9,15]:

где ср – удельная массовая теплоемкость, Дж/(кг∙К); t t1 t2 – разность температур в начале и конце нагрева жидкости.

Расчет теплообменников непрерывного действия основан на совместном решении уравнений теплового баланса и теплопере-

дачи [15].

В процессе расчета теплообменника обычно определяют тепловой поток Ф, Дж/с (Вт), передаваемый через поверхность теплообмена.

Тепловые потоки, идущие от горячего теплоносителя Ф1 к холодному Ф2, могут быть определены по формулам

где ср1 и ср2 – изобарные теплоемкости горячего и холодного тепло-

носителей; mt1 и mt 2 – массовые расходы этих теплоносителей, кг/с;

температуры горячего (индекс 1) и холодного (индекс 2) теплоноси-

телей t1, t1, t2, t2.

При установившемся режиме теплообмена Ф1 Ф2 Ф. При этом равенстве получается баланс теплового потока (уравнение теплового

баланса).

Определив требуемое значение теплового потока Ф, находим необходимую площадь F поверхности теплообмена горячего теплоносителя (нагревателя), используя уравнение теплопередачи

где к – средний, постоянный для поверхности F коэффициент теплопередачи, Вт/(м2∙К); tн – средний по поверхности F температурный напор между теплоносителями, 0С.

Массовые секундные расходы теплоносителей mt1 и mt 2, кг/с,

определяются по следующим формулам:

а) если известна площадь живого сечения канала теплообменника Fсеч, скорость w теплоносителя, а также плотность, то расход находится из выражения

б)если известен тепловой поток и изменение температуры теплоносителя, то расход соответствующего теплоносителя вычисляется из выражений (13.2) и (13.3):