3. Расчет системы наддува двигателя Задачи и исходные данные для расчета системы наддува

Избыточное давление выпускных газов перед турбиной
Температура выпускных газов перед турбиной:
При номинальной мощности
При мощности с перегрузкой
Температура выпускных газов за турбиной
Частота вращения турбонагнетателя:
При номинальной мощности
При максимально допустимой
Давление наддувочного воздуха
Номинальная температура воздуха наддува:
За холодильником
Количество выпускных газов за цикл

Двигатель оснащён двумя турбонагнетателями, турбины которых работают на выпускных газах двигателя. Причём каждый турбонагнетатель рассчитан для наддува трёх цилиндров.

Выпускные газы трёх цилиндров, проходя через общий коллектор, подаются на лопатки турбонагнетателя. В каждом патрубке для отвода выхлопных газов имеется отверстие с резьбой для установки термометров, служащих для измерения температуры отработавших газов отдельных цилиндров. Весь газопровод снабжён изоляцией и защитным кожухом.

Турбонагнетатель подаёт воздух через промежуточный холодильник в общий распределительный воздухопровод, от которого идут ответвления к отдельным цилиндрам. Перед и за холодильником имеются резьбовые соединения для подключения контрольных манометров. Для выпуска образовавшегося конденсата воздухопровод снабжён выпускной пробкой. По середине воздухопровода установлен промежуточный элемент, после удаления которого можно подсасывать воздух в случае неисправности турбонагнетателя.

Турбонагнетатель состоит из радиального центробежного нагнетателя и осевой турбины, установленных на общем валу.

При газотурбинном и комбинированном наддуве двигателей отработавшие в цилиндрах газы направляются к сопловым аппаратам газовых турбин (одной или двух) и энергия выпускных газов используется для привода в действие компрессоров сжатого воздуха.

Производительность компрессоров системы наддува должна быть достаточной для обеспечения очистки цилиндра от продуктов сгорания и заполнения его таким количеством воздуха, которое необходимо для сгорания топлива с заданным коэффициентом избытка воздуха.

В качестве исходных данных для расчета системы наддува будем использовать некоторые исходные данные и результаты расчета рабочего цикла и показателей двигателя:

- давление р_о=0,1 МПа и температура Т_о=300 К окружающей среды;

- давление воздуха в ресивере за воздухоохладителем р_s= 0,14 МПа;

- температура воздуха в ресивере за воздухоохладителем Т_s=314 К;

- теоретический коэффициент молекулярного изменения b_z=1,028;

- давление р_b=0,715 МПа и температура Т_b=1197,5 К газов в цилиндре в конце процесса расширения;

- часовой расход топлива G_т=530,7 кг/ч;

- часовой расход воздуха для сгорания G_вч=15146,178 кг/ч;

- коэффициент продувки цилиндров j_а. Для четырехтактных двигателей j_а находится в диапазоне 1,05...1,35, для двухтактных - в диапазоне 1,25...1,65. Большие значения коэффициента продувки характерны для двигателей малооборотных и с контурными схемами газообмена. Принимаем j_а=1,15; - показатель адиабаты сжатия воздуха в компрессоре, обычно принимаемый равным к = 1,4;

- показатель политропы расширения n_г при истечении газов из цилиндра в коллектор, который обычно находится в диапазоне 1,32...1,35. Принимаем n₂=1,33

- давление газов перед турбиной, которое равно в первом приближении р_т = (0,8...0,9)

р_к = МПа;

- показатель адиабаты расширения газов в турбине, равный к_г = (1,32...1,37). Принимаем к₂=1,35;

- давление газов за турбиной р'_o, которое обычно находится в диапазоне 0,102...0,105 МПа у двигателей без утилизации теплоты выпускных газов и 0,108...0,11 МПа - у двигателей с утилизацией теплоты. Принимаем р¢_о=0,103;

- адиабатный h_ад и механический h_м.к КПД компрессора, равные: для центробежного компрессора h_ад = 0,65...0,75, h_м.к = 0,95...0,98, для поршневого компрессора h_ад = 0,75...0,85, h_м.к = 0,8...0,85 для ротативного компрессора h_ад = 0,65...0,8, h_м.к = 0,9...0,95. Для центробежного компрессора принимаем h_ад=0,7;

коэффициент полезного действия турбины h_т = 0,65...0,75.

Принимаем h_т=0,7;

Исходные данные для расчета приведены в таблице 3.7

Таблица 3.9 – Исходные данные для расчета системы наддува дизеля

Наименование исходного параметра	Обозначение и размерность	Численное значение
1. Давление окружающей среды	Ро, Мпа
2. Температура окружающей среды	То, К
3. Давление воздуха в ресивере за воздухоохладителем	Рs,Мпа
4. Теоретический коэффициент молекулярного изменения	bz
5. Давление газов в цилиндре в конце процесса расширения	Pb, Мпа
6. Температура газов в конце процесса расширения	Тb, К
7. Часовой расход топлива	Gт, кг/ч
8. Часовой расход воздуха для сгорания	Gвч, кг/ч
9. Коэффициент продувки цилиндров	jа
10. Показатель адиабаты сжатия воздуха в компрессор	К
11. Показатель политропы расширения при истечении газов из цилиндра в коллектор	n2
12. Давление газов перед турбиной	рт
13. Показатель адиабаты расширения газов в турбине	кг
14. Давление газов за турбиной	р¢о
15. Адиабатный КПД компрессора	hад
16. Механический КПД компрессора	hм.к.
17. КПД турбины	hт

Расчет производительности и мощности компрессора

Расчет выполняют в следующей последовательности. Требуемую секундную подачу воздуха компрессором приравнивают к секундному расходу воздуха двигателем, который рассчитывают по уравнению

G_к = j_аG_вч/3600 кг/с

G=кг/с

Процесс сжатия воздуха в компрессоре считают адиабатным и удельную работу сжатия находят по уравнению

L_ад = кRT_о[(р_к/р_о)^{(к – 1)/к} –1]/(к-1) кДж/кг,

где R = 0,287 кДж/(кг К) – газовая постоянная воздуха.

L_ад=кДж/кг

Мощность, потребляемую компрессором, следует определить по выражению

N_к = G_кL_ад/(h_ад h_м.к) кВт

N_к=

Параметры воздуха за компрессором определяют с учетом следующих условий: воздух сжимается в компрессоре политропно с повышением температуры до величины, которую следует найти по уравнению

Т_к = Т_о(p_к/p_о)^(m-1)/m, К,

где m – показатель политропы, равный 1,7…1,8 при сжатии воздуха в центробежных компрессорах и 1,45…1,6 – в поршневых.

Т_к = 300×(0,198/0,1)^1,75-1/1,75 = 402 К

При низком давлении наддува (р_к £ 0,135 Мпа) охлаждение воздуха обычно не применяют и температура воздуха в ресивере равна температуре воздуха за компрессором, то есть Т_s = Т_к. При отсутствии воздухоохладителя давление воздуха в ресивере равно давлению за компрессором, то есть р_s = р_к.

При повышенном давлении наддува сжатый в компрессоре воздух пропускают через воздухоохладитель и затем направляют в ресивер. Использование воздухоохладителя целесообразно при степени охлаждения воздуха DТ_s = (Т_к – Т_s) > (10…15) К, а также в случае, если температура воздуха в ресивере Т_s превышает температуру Т_з.в не менее, чем на 7…10 градусов.

Разность давлений воздуха р_к – р_s зависит от конструкции охладителя, его загрязненности и расхода воздуха. Гидравлический коэффициент снижения давления воздуха в воздухоохладителе h_г.о = р_s/р_к должен быть не ниже 0,95. Учитывая это условие, следует принимать р_к = р_s/0,95 Мпа.

Следует определить и коэффициент тепловой эффективности воздухоохладителя h_в.о = (Т_к – Т_s)/(Т_к – Т_з.в), который согласно требований стандарта должен быть не ниже 0,7. Вместе с тем из условий ограничения площади поверхности теплообмена и габаритов воздухоохладителя, а также предотвращения конденсации водяных паров на поверхностях температура воздуха в ресивере Т_s должна находиться в пределах 310…320 К и, по крайней мере, быть на 5 – 10 градусов выше точки росы при заданных давлении наддувочного воздуха и степени влажности.

h_во =

Расчет мощности турбины

При газотурбинном наддуве необходимо определить параметры газа перед турбиной и за ней, удельную работу расширения газов в турбине и мощность турбины.

Расход газа через турбину G_г больше расхода воздуха через цилиндры G_к на величину расхода топлива G_т, поэтому

G_г = G_к + G_т/3600 кг/с

G_г=кг/с

Температура продуктов сгорания в процессе движения из цилиндра в коллектор изменяется. Условно этот процесс считают политропным и рассчитывают температуру продуктов сгорания в коллекторе Т_г по уравнению

Т_г= Т_b/(р_b/р_т) К

Тг=К

При продувке цилиндра и в выпускном коллекторе продукты сгорания смешиваются с продувочным воздухом. Решение уравнения теплового баланса для этой смеси позволяет получить следующее выражение для расчета температуры выпускных газов перед турбиной:

Т_т = {b_ос_р'' Т_г + (j_а–1)с_р'Тs }/{b_ос_р'' + (j_а–1)с_р'} К,

где с_р' = 27,57 + 0,0025Т_s кДж/(кмоль К) – средняя мольная теплоемкость воздуха;

с_р'' = 28,22+0,00307Т_г кДж/(кмоль К) – средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания.

C¢p=27,57+0,0025×338=28,345 кДж/(кмоль×К)

C²p=28,22+0,00307×850,246=30,830 кДж/(кмоль×К)

Тт = К

Температуру газов за турбиной следует определить по уравнению расширения газов в проточной части турбины:

Т'_о = Т_т(р_т/р'_о) К

Т¢_о= К

Адиабатную работу расширения газов в турбине рассчитывают по уравнению

L_ад.т = к_гR_гT_т[1- (р'_о/р_т) ]/(к_г-1) кДж/кг,

где R_г = 0,3 кДж/(кг К) – газовая постоянная выпускных газов.

L_ад.т= кДж/кг