Проектирование турбокомпрессора для двигателя с мощностью 1250 кВт
Содержание
Введение
.
Выбор исходных данных для расчёта газотурбинного наддува
.
Расчёт центробежного компрессора
.1
Параметры воздуха на входе в рабочее колесо
.2
Размеры рабочего колеса
.3
Параметры воздуха на выходе из рабочего колеса
.4
Размеры щелевого диффузора
.5
Параметры воздуха на выходе из щелевого диффузора
.6
Размеры лопаточного диффузора
.7
Параметры воздуха на выходе из лопаточного диффузора
.8
Параметры потока на выходе из лопаточного диффузора
.
Расчёт осевой турбины
.1
Параметры газа за турбиной
.2
Параметры газа перед турбиной
.3
Выбор оптимальной окружной скорости
.4
Расчет сопел и рабочих лопаток
.5
Потери в турбине, КПД и мощность
.6
Треугольники скоростей при различных значениях окружной скорости
.
Мои решения при проектировании турбокомпрессора
Список
используемой литературы
Введение
Значительно снижение габаритных показателей двигателей
внутреннего сгорания оказалось возможным при использовании форсирования за счет
турбонаддува. В настоящее время широкое распространение получил турбонаддувочный
агрегат, состоящий из газовой турбины и центробежного или осевого компрессора.
Компрессор, устройство для сжатия и подачи воздуха или
другого газа под давлением. К. впервые стали применяться в середине 19 в., в
России строятся с начала 20 в.
Основы теории центробежных машин были заложены Л. Эйлером
<#"511680.files/image001.gif"> = 1250 кВт;
. Частота вращения n = 1050 
;
. Число цилиндров двигателя i = 8;
. Рабочий объём цилиндра Vs= 0.010640 
;
. Коэффициент тактности z = 0,5;
. Удельный расход топлива ge=0.192 
;
. Коэффициент наполнения ηн = 0,881;
. Коэффициент продувки ϕпр = 1,15;
. Температура выхлопных газов двигателя Tт= 800 К;
. Коэффициент избытка воздуха α=1,7
2. Расчёт центробежного компрессора
. Расход воздуха:
,
где :
= 0,192 - удельный расход
топлива;
= 1250 кВт - мощность двигателя;
ϕпр = 1,15 - коэффициент
продувки;
α=1,7 - коэффициент
избытка воздуха;
l0 = 14,325 - теоретически необходимое количество
воздуха для сжигания 1 кг топлива.
2. Степень повышения давления в компрессоре:
где:
МПа - давление наддува;
МПа - давление
атмосферного воздуха;
МПа - потеря давления за
компрессором при наличии воздухоохладителя;
МПа - потеря давления на
всасывание в воздушном фильтре и глушителе;
3. Изоэнтропийная работа сжатия воздуха в
компрессоре:
кДж/кг
где :
к = 1,4 - показатель изоэнтропы для воздуха;
Ср = 1,005 
- удельная теплоёмкость
для воздуха;
Т0 = 298 К - температура атмосферного воздуха;
4. Окружная скорость на наружном диаметре
рабочего колеса компрессора:
м/с,
где 
- коэффициент напора.
5. Осевая скорость на входе в рабочее колесо:
м/с,
где Ca = 0,25 - коэффициент расхода.
2.1 Параметры воздуха на входе в рабочее колесо
. Температура:
К,
где 
- удельная теплоёмкость
для воздуха.
2. Давление:
МПа,
где n1=1,36 - показатель политропы расширения во
входном устройстве.
3. Плотность:
.
2.2 Размеры рабочего колеса
1. Площадь проходного сечения на входе:
2. Диаметр на выходе:
м,
где:
;
.
3. Диаметр на входе:
м
4. Диаметр ступицы:
м
5. Число лопаток колеса:
. Частота вращения рабочего колеса компрессора:
7. Коэффициент мощности:
8. КПД компрессора:
,
где 
- коэффициент трения диска.
2.3 Параметры воздуха на выходе из рабочего
колеса
1. Температура:
или
2. Давление:
МПа,
где n2 = 1,6 - показатель политропы сжатия;
3. Плотность:
.
4. Ширина рабочего колеса на выходе:
м,
где 
м/с.
5. Абсолютная скорость на выходе из рабочего
колеса:
м/с,
где 
м/с
6. Угол на выходе из рабочего колеса:
.4 Размеры щелевого диффузора
1. Диаметр:
м.
2. Ширина:
м.
3. Скорость на выходе из щелевого диффузора:
м/с,
где 
- плотность потока на выходе и диффузора.
.5 Параметры воздуха на выходе из щелевого
диффузора
1. Температура:
К.
2. Давление:
МПа,
где 
- показатель политропы сжатия.
Плотность:
.
.6 Размеры лопаточного диффузора
. Диаметр:
м.
. Ширина:
м.
. Число лопаток диффузора:
Принимаем 
.
4. Площадь по горловинам диффузора на входе:
м2,
где 
- коэффициент изменения скорости и плотности в
косом срезе.
5. Угол потока на входе:
. Угол установки лопаток на входе:
. Угол установки лопаток на выходе:
. Угол потока на выходе:
. Скорость на выходе из лопаточного диффузора:
м/с,
где 
- плотность потока на выходе из диффузора.
2.7 Параметры воздуха на выходе из лопаточного диффузора
1. Температура:
К.
2. Давление:
МПа,
где 
.
3. Плотность:
.
2.8 Параметры потока на выходе из лопаточного
диффузора
. Скорость:
Принимается 
м/с.
2. Температура:
К.
3. Давление:
МПа,
где 
.
4. Расчетная степень повышения давления в
компрессоре:
.
5. Расчетная изоэнтропическая работа в
компрессоре:
кДж/кг
6. Потребляемая мощность компрессора:
кВт.
3.
Расчёт осевой турбины
1. Исходные данные для расчета турбины:
кг/с.
мин-1
. Коэффициент импульсности расхода:
. Расчетный расход через турбину:
кг/с.
. Внутренний КПД турбины (без поправки на
импульсность):
Принимается 
5. Поправочный коэффициент на импульсность:
. КПД турбины:
. КПД турбокомпрессора:
,
где 
- механический КПД.
1. Изоэнтропийный перепад тепла в турбине:
кДж/кг.
. Коэффициент импульсности перепада тепла в
турбине:
3.1 Параметры газа за турбиной
1. Изоэнтропийный расчетный перепад температур в
турбине:
К,
. Температура газа за турбиной:
К,
где 
К - температура газа
перед турбиной (из расчёта процесса в цилиндрах ПДВС).
3. Давление за турбиной:
Принимается 
МПа.
4. Плотность газа за турбиной:
.
3.2 Параметры газа перед турбиной
1. Относительный изоэнтропийный перепад
температур в турбине:
.
2. Расчетная степень понижения давления в
турбине:
3. Расчетное давление на входе в турбину:
МПа.
3.3 Выбор оптимальной окружной скорости
. Окружная скорость:
см. Таблица №1
2. Угол выхода из сопла:
Принимаем 
.
3. Условная изоэнтропийная скорость:
м/с.
4. Степень реактивности:
Принимаем 
.
5. Скорость истечения из сопел:
м/с,
где 
- коэффициент скорости в соплах.
6. Относительная скорость на входе в рабочие
лопатки (из треугольников скоростей):
см. Таблица №1
7. Угол:
см. Таблица №1
8. Относительная скорость на выходе из рабочих
лопаток:
см. Таблица №1
9. Теплоперепад в соплах:
кДж/кг.
10. Относительный перепад температур в соплах:
.
11. Степень понижения давления в соплах:
12. Давление за соплами:
МПа.
13. Температура за соплами:
К.
14. Плотность за соплами:
.
17. Угол выхода из рабочих лопаток:
см. Таблица №1
18. Окружная составляющая:
см. Таблица №1
19. Окружной КПД:
см. Таблица №1
19. Отношение скоростей:
см. Таблица №1
20. Оптимальная окружная скорость:
Определяем по кривой 
Таблица 1
|
u
|
α1
|
C1
|
w1
|
β1
|
C1u
|
w2
|
β2
|
C2
|
C2u
|
α2
|
ηu
|
|
|
100
|
15
|
409
|
313
|
20
|
395
|
409
|
17
|
315
|
292
|
22
|
0,482
|
0,187
|
|
110
|
15
|
409
|
304
|
20
|
395
|
403
|
17
|
300
|
276
|
23
|
0,518
|
0,206
|
|
120
|
15
|
409
|
295
|
21
|
395
|
397
|
17
|
285
|
259
|
24
|
0,551
|
0,225
|
|
130
|
15
|
409
|
285
|
22
|
395
|
392
|
18
|
271
|
243
|
26
|
0,582
|
0,244
|
|
140
|
15
|
409
|
276
|
23
|
395
|
386
|
18
|
256
|
227
|
28
|
0,611
|
0,262
|
|
150
|
15
|
409
|
267
|
23
|
395
|
381
|
18
|
242
|
212
|
29
|
0,639
|
0,281
|
|
160
|
15
|
409
|
258
|
24
|
395
|
375
|
229
|
196
|
31
|
0,663
|
0,300
|
|
170
|
15
|
409
|
249
|
25
|
395
|
370
|
19
|
216
|
180
|
34
|
0,686
|
0,318
|
|
180
|
15
|
409
|
240
|
26
|
395
|
365
|
19
|
203
|
165
|
36
|
0,707
|
0,337
|
|
190
|
15
|
409
|
231
|
27
|
395
|
360
|
19
|
191
|
150
|
38
|
0,726
|
0,356
|
|
200
|
15
|
409
|
222
|
28
|
395
|
355
|
19
|
179
|
135
|
41
|
0,744
|
0,375
|
|
210
|
15
|
409
|
213
|
30
|
395
|
351
|
20
|
169
|
120
|
45
|
0,759
|
0,393
|
|
220
|
15
|
409
|
204
|
31
|
395
|
346
|
20
|
158
|
105
|
48
|
0,773
|
0,412
|
|
230
|
15
|
409
|
196
|
33
|
395
|
342
|
20
|
149
|
91
|
52
|
0,784
|
0,431
|
|
240
|
15
|
409
|
188
|
34
|
395
|
338
|
20
|
141
|
77
|
57
|
0,794
|
0,450
|
|
250
|
15
|
409
|
179
|
36
|
395
|
334
|
21
|
134
|
63
|
62
|
0,803
|
0,468
|
|
260
|
15
|
409
|
171
|
38
|
395
|
331
|
21
|
128
|
49
|
68
|
0,810
|
0,487
|
|
270
|
15
|
409
|
164
|
40
|
395
|
327
|
21
|
123
|
35
|
73
|
0,815
|
0,506
|
|
280
|
15
|
409
|
156
|
43
|
395
|
324
|
21
|
120
|
22
|
79
|
0,819
|
0,524
|
|
290
|
15
|
409
|
149
|
45
|
395
|
321
|
22
|
119
|
9
|
86
|
0,822
|
0,543
|
|
300
|
15
|
409
|
142
|
48
|
395
|
319
|
22
|
118
|
-4
|
92
|
0,823
|
0,562
|
|
310
|
15
|
409
|
136
|
51
|
395
|
316
|
22
|
119
|
-17
|
98
|
0,823
|
0,581
|
|
320
|
15
|
409
|
130
|
55
|
395
|
314
|
22
|
122
|
-29
|
104
|
0,822
|
0,599
|
|
330
|
15
|
409
|
124
|
58
|
395
|
312
|
22
|
125
|
-41
|
109
|
0,820
|
0,618
|
|
340
|
15
|
409
|
119
|
63
|
395
|
311
|
22
|
130
|
-53
|
114
|
0,817
|
0,637
|
|
350
|
15
|
409
|
115
|
67
|
395
|
309
|
22
|
135
|
-64
|
118
|
0,812
|
0,656
|
uopt = 3002 = 318
β2 = 222
= 118
ηu = 0,823
3.4 Расчет сопел и рабочих лопаток
1. Средний диаметр турбины:
м,
где 
- частота вращения турбины.
2. Высота сопел:
м.
3. Высота рабочих лопаток:
м.
4. Отношение высот рабочих лопаток и сопел
(проверка):
.
3.5 Потери в турбине, КПД и мощность
1. Потери в соплах:
кДж/кг.
2. Потери в рабочих лопатках:
кДж/кг.
3. Абсолютная скорость за рабочими лопатками (из
треугольника скоростей):
С2= 118 м/с.
4. Потеря с выходной скоростью:
кДж/кг.
5. Потеря в радиальном зазоре:
кДж/кг,
где 
- радиальный зазор,
.
6. Потеря на трение рабочего колеса о газ:
кДж/кг,
где 
- коэффициент.
7. Внутренний КПД турбины:
,
. Относительный эффективный КПД турбины:
.
9. Мощность турбины:
кВт.
10. Мощность компрессора (получена ранее):
кВт, совпадение
достаточное.
3.6 Треугольники скоростей при различных
значениях окружной скорости
Рис.1
4.
Мои решения при проектировании турбокомпрессора
При проектировании этого турбокомпрессора мною было изучено и
рассмотрено несколько вариантов конструкции, имеющих значительные
принципиальные отличия друг от друга. Но в результате подробного детального
рассмотрения каждого из них была выбрана данная конструкция, как наиболее
оптимальная по соотношению: простота конструкции, простота эксплуатационного
обслуживания, легкость сборки, наименьшие габариты и металлоемкость.
Турбокомпрессор выполнен с центробежным компрессором и осевой
турбиной, так как мощность двигателя превышает 800 кВт и при использовании
осевой турбины были получены меньшие габариты, чем при использовании
центростремительной турбины.
Конструктивно турбокомпрессор состоит из корпуса состоящего
из нескольких частей, в котором размещены неподвижные элементы компрессора и
турбины, подшипники, связанные одним валом.
Рабочее колесо компрессора отливается из сплава типа АЛ4 в
гипсовые формы, полученные по эластичным моделям. Рабочее колесо турбины
изготавливается методом литья по выплавляемым моделям из жаропрочного
никелевого сплава типа АНВ-300. Корпус изготавливается из жаропрочного чугуна.
Изначально я планировал использовать конструкцию с
расположением подшипников перед компрессором и за турбиной. Однако по сравнению
со схемой расположения: за компрессором и перед турбиной, наряду с выигрышем в
простоте обслуживания подшипников я получил серьезный проигрыш в габаритных
размерах и усложнение подвода воздуха в осевом направлении к компрессору, в
итоге я решил использовать второй вариант как наиболее мне интересный. В
корпусе установлены шариковые радиально-упорные подшипники. Для уменьшения
протечки масла в зазорах между корпусом и валом используются масло сгонные
резьбы возле турбины и возле компрессора. С целью разгрузить подшипники я решил
сделать агрегат усилия компрессора и турбины в котором компенсируются друг
другом в следствии того что действуют в противоположные стороны. В результате я
получил достаточно интересную конструкцию, но столкнулся с более жесткими
требованиями к системе смазки подшипников и системе охлаждения, так как получил
достаточно компактный корпус и необходимость качественной смазки подшипников и
отводом от них теплоты, для того что бы они максимально долго не выходили из
строя.
Для смазывания и охлаждения подшипников используется
дизельное масло, которое подается из накопительного бака, подсоединенного к
системе смазки двигателя. Такой вид смазки позволяет отводить большое количества
тепла образующегося из-за трения шарика подшипника о наружное и внутреннее
кольцо. Масло подается под давлением.
Для уменьшения нагревания корпуса ТК и подшипников
установленных в нем от выхлопных газов и воздуха повышенного давления
применяется жидкостное охлаждение.
Колесо компрессора и турбины надеты на шлицы, в то время как
сопловой аппарат жестко закреплен к корпусу четырьмя болтами. Выбор такого вида
крепления продиктован условиями простоты сборки и разборки для данной
конструкции.
Данная конструкция мне кажется достаточно продуманной. Однако
я предполагаю что эту конструкцию можно усовершенствовать, например, несколько
изменить систему смазки подшипников и систему охлаждения за счет чего получить
меньшие габариты, но это возможно сделать лишь при глубоком просчете этих
систем.
центробежный
компрессор турбина агрегат
Список используемой литературы
1.
Агрегаты турбонаддува двигателей внутреннего сгорания: Методические указания:
Сост.: А.М.Захаров, И.В. Котляр. Горький , 1986.
.
Общие требования к оформлению чертежей и пояснительных записок курсовых и
дипломных проектов. НГТУ: Сост. Ю.Н. Ручкин. Н.Новгород, 2001.
.
Турбонаддувочные агрегаты : Р.В. Русинов, 1981.
4.
Конспект лекций по агрегатам наддува: П.В. Семашко.