Принципы согласования

Энергетический баланс турбины и компрессора агрегата наддува ком­бинированного двигателя представляет собой равенство мощностей получа­емых в турбине при использовании энергии отработавших газов и расходу­емой в компрессоре для обеспечения необходимого повышения давления на впуске в цилиндры. Мощность, развиваемая турбиной, зависит от количества отработавших газов и их температуры, а мощность, потребляемая компрессо­ром - от заданного давления наддува и расхода воздуха, соответствующего установленному коэффициенту избытка воздуха.

Основные характеристики двигателя - мощность N_e, кВт; частота вращения коленчатого вала n, об/мин; диаметр цилиндра D мм; ход поршня S, мм; число цилиндров i, среднее эффективное давление p_e, Мпа; давление наддува p_k, Мпа;

Параметры окружающей среды

Давление p_0, Мпа; температура Т₀, К.

Расчет выполняется в следующей последовательности.

3.1 Выбирается марка топлива для двигателя и по его химическому составу рассчитывается теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива М₁ кмоль/кг.

Низшая теплота сгорания топлива:

где С,H,O,S - массовые доли химических элементов, содержащиеся в 1 кг топлива, приведенные в таблице 1.1;

r_w=2.512 МДж/кг - удельная теплота парообразования воды;

W=0 -влагосодержание в топливе.

Таблица 1.1

Химический элемент	С	Н	O	S
Дизельное топливо	0,83 – 0,87	0,11 – 0,14	до 0,005	до 0,005
Бензины	0,855	0,145	-	-

Теоретически необходимое количество воздуха, достаточное для полного сгорания 1 кг топлива

3.2 Для проектируемого двигателя выбирается коэффициент избытка воздуха a,который составляет:

a=1.5...1.6 -для двигателей имеющим разделенную камеру сгорания;

a=1.7...1.8 -имеющих полуразделенную камеру сгорания;

a=1.8...2.2 -имеющих неразделенную камеру сгорания.

3.3 Определяется количество воздуха действительно поступившее в цилиндр.

где Y_n=1.15+0.75*p_к - коэффициент продувки.

3.4 Определяется количество продуктов сгорания

где DM-изменение количества объема горючей смеси в результате сгорания.

3.5 По заданному среднему эффективному давлению определяются эффективный КПД двигателя и удельный эффективный расход топлива.

где r_к – плотность воздушного заряда;

h_v-коэффициент наполнения.

Коэффициент наполнения зависит от условий работы двигателя: частоты вращения, нагрузки, давления наддува и т.д. В то время как у двигателей без наддува

_v = 0,75…0,85, у двигателей с наддувом - _v = 0,90 …1,15.Коэффициент наполнения при работе с наддувом повышается вследствие лучшей очистки камеры сгорания и меньшего подогрева воздушного заряда.

3.6 Определяется требуемый расход воздуха через компрессор

где m_в=28.97 кг/кмоль - относительная молекулярная масса воздуха;

1.7 Определяется работа адиабатного сжатия 1 кг воздуха от атмосферного давления до давления наддува.

где p=p_к/p₀ - степень повышения давления.

k=1.4 - показатель адиабаты для воздуха;

R_в=287 Дж/(кг_*К) - газовая постоянная воздуха;

T₀ - температура окружающей среды; Т₀ = 290…310 К

p₀ - давление окружающей среды; p₀ = 0,1 Мпа.

3.8 Задается адиабатный КПД компрессора учитывающий отличие реально затрачиваемой работы, сопровождающейся потерями на трение и теплообменом, от адиабатной работы сжатия.

Адиабатный КПД выбирается из пределов: h_ад.к.=0.7...0.78 - для компрессоров с безлопаточным диффузором;

h_ад.к.=0.75...0.84-для компрессоров с лопаточным диффузором.

Действительная удельная работа сжатия воздуха в компрессоре

3.9 Определение мощности необходимой на привод компрессора

3.10 При газотурбинном наддуве агрегат наддува кинематически не связан с валом двигателя. Связь между поршневой частью и турбокомпрессором осуществляется по газовым трактам, поэтому мощность необходимая на привод компрессора полностью вырабатывается турбиной

где h_мех=0.94...0.99 - механический КПД турбокомпрессора.

3.11 Определение расхода отработавших газов через турбину

где m_r»m_в=28.97 кг/кмоль - относительная молекулярная масса отработавших газов

3.12 Определение удельной работы адиабатного расширения отработавших газов в турбине

где k_r=1.34-показатель адиабаты отработавших газов;

R_r=289 Дж/(кг_*К)-газовая постоянная отработавших газов;

T_r=800...1000 K-температура отработавших газов; p_т=p_т/p₀ - степень понижения давления в турбине.

Для определения адиабатной работы расширения в турбине по приведенной формуле необходимо знать степень понижения давления в турбине p_т. В тех случаях когда она не известна l_ад находят по формуле:

где h_ад.т.=0.72...0.82-адиабатный КПД турбины.

Рассчитанная удельная работа адиабатного расширения должна составлять около 300 кДж/кг.

Такая работа соответствует угловым скоростям рабочего колеса турбины допустимым по условию прочности.

При работе выше 300 кДж/кг к материалам рабочих колес предъявляются дополнительные требования, кроме того при таких удельных работах в проточной части турбины появляются сверх звуковые скорости течения потока газов, и как следствие, снижение КПД турбины.

Если необходимо достичь высоких КПД турбины, то удельная адиабатная работа расширения в турбине не должна превышать 250 кДж/кг.

3.13 Определение давления газов перед турбиной.

Давление газов определяется из условия равенства мощностей турбины и компрессора N_k=N_т

(3.17)

где p'₀=0.104...0.108 МПа - давление газов за турбиной. Величина давления p'₀ определяется наличием в выпускной системе глушителей, искрогасителей и т.д.

Дата добавления: 2014-01-05