Проектирование турбокомпрессора

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального обучения Ярославский государственный технический университет Кафедра двигателей внутреннего сгорания Курсовая работа по дисциплине агрегаты наддува ДВС Тема: «Проектирование турбокомпрессора»

Содержание Реферат Введение

1. Обоснование исходных данных

2. Газодинамический расчет турбокомпрессора

2.1 Работа с программой «pik-f_SI.XLS»

2.2 Алгоритм расчета программой «gas-k_SI.XLS». Газодинамический расчёт компрессора

2.3 Алгоритм программы «gas-T_SI.XLS». Газодинамический расчет турбины

3. Графическая часть

3.1 Построение внешней скоростной характеристики двигателя

3.2 Построение совместной характеристики двигателя и компрессора

3.3 Построение треугольников скоростей и параметров потока по сечениям Заключение Список литературы

Реферат Турбокомпрессор, КПД, основные характеристики и размеры, программы: pik-ft.cal, gasdink. cal, ВСХ Цель работы — провести расчет основных размеров компрессора и турбины по заданным начальным условиям.

В процессе работы использовались алгоритмы программ для расчета параметров турбокомпрессора в среде Excel.

Построение внешней скоростной характеристики двигателя.

Газодинамический расчет ступеней компрессора и турбины.

Построение совместной характеристики двигателя и компрессора.

Анализ совместной работы двигателя и компрессора.

Введение

Уменьшение нефтяных запасов и постоянное удорожание топлива вынуждают искать пути для улучшения топливной экономичности двигателей.

В последние годы в связи с развивающимся экологическим кризисом все более жесткие требования предъявляются к выделению двигателями в атмосферу токсичных веществ. Нормы на токсичность и дымность для двигателей постоянно пересматриваются в сторону ужесточения. Уменьшается удельная масса двигателя, уменьшается стоимость единицы мощности.

Применение наддува позволяет улучшить топливную экономичность и уменьшить токсичность отработавших газов, сформировать желаемое протекание характеристик двигателя для наиболее эффективной его работы на транспортном средстве.

Турбокомпрессор современного автомобильного двигателя состоит из одноступенчатого центробежного компрессора и радиально-осевой центростремительной турбины, соединенных единым валом. В компрессоре, как правило, используется колесо с назад загнутыми лопатками, безлопаточный (щелевой) диффузор и воздухосборник типа улитка, в которых кинетическая энергия воздуха преобразуется в потенциальную энергию давления. Турбинная ступень выполняется с безлопаточным направляющим аппаратом, в котором формируется поток с заданными параметрами на входе в колесо с радиальными лопатками.

1. Обоснование исходных данных Исходные данные

б, ge выбираются по графику изменения коэффициента избытка воздуха и удельного расхода топлива по внешней скоростной характеристике. Параметры выбирается в зависимости от Vh.

Номинальная мощность, номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя их значения берутся из задания на дипломный проект.

Чтобы начать расчет нужно выбрать расчетный режим работы двигателя.

Расчет компрессора и турбины выполняется для одной расчетной точки, выбранной для зоны преимущественных режимов. В качестве расчетной точки может быть выбран любой режим ВСХ, в зависимости от назначения двигателя. Для двигателей магистральных автомобилей расчетная точка обычно выбирается в середине скоростного диапазона между режимами номинальной мощности и номинального крутящего момента.

Рисунок 1 — внешняя скоростная характеристика двигателя Расчетная точка: nр р=1760 мин-1

2. Газодинамический расчет турбокомпрессора Целью газодинамического расчета ТКР является определение размеров элементов компрессорной и турбинной ступеней, обеспечивающих необходимые степени повышения давления и расход воздуха, для выбранного режима работы двигателя при максимальных КПД компрессора и турбины.

компрессорный турбинный воздух давление

2.1 Работа с программой «PIK-F_SI.XLS»

Целью расчета является определение необходимой степени повышения давления (рк), расхода воздуха (Gв) и площади начального сечения улитки корпуса турбины (Fт) для всех режимов работы двигателя.

Исходные данные:

Vh•i — рабочий объем цилиндров, м3

Ne — мощность двигателя, кВт

n — частота вращения коленчатого вала, мин-1

Т0 — температура воздуха на всасывании, К Р0 — давление атмосферного воздуха, Па у0 — коэффициент потери полного давления воздуха на всасывании у0х — коэффициент потери полного давления воздуха в ОНВ Тох — температура окружающего воздуха перед ОНВ, К Е — тепловая эффективность ОНВ зк. ад — адиабатический КПД компрессора ТКР зv — коэффициент наполнения двигателя б — коэффициент избытка воздуха двигателя

ge — удельный эффективный расход топлива двигателем, г/кВт•ч уr — коэффициент потери полного давления газа на выходе.

зте — эффективный КПД турбины ТКР м (рm =2) — коэффициент расхода турбины ТКР кг — показатель адиабаты для газа

Rг — универсальная газовая постоянная для газа, Дж/(кг•к)

l0 — количество воздуха, теоретически необходимое для сгорания 1 кг топлива, кг/кг

a, b — коэффициенты многочлена для определения температуры

выпускных газов перед турбиной ТКР

1. Среднее эффективное давление цикла, Па

2. Массовый расход воздуха двигателем, кг/с Необходимая степень повышения давления воздуха определяется путем решения системы уравнения расхода:

Если подставить в них значения плотности воздуха во впускном коллекторе, давления и температуры воздуха во впускном коллекторе

давления на входе в колесо компрессора

и температуру воздуха на выходе из компрессора ТКР то получается уравнение, Па:

При k = 1,4, R = 787,0421 Дж/(кг*К).

3. Полное давление воздуха на выходе из компрессора ТКР, Па

4. Температура заторможенного потока воздуха на выходе из компрессора ТКР, К

5. Полное давление воздуха на выходе из ОНВ, Па

6. Температура заторможенного потока на выходе из ОНВ, К

7. Плотность воздуха во впускном коллекторе, кг/м3

8. Температура выпускных газов в выпускном коллекторе, К

9. Степень уменьшения давления газа в турбине ТКР

10. Пропускная способность турбины, см2

11. Относительный коэффициент расхода газа через турбину ТКР, К

12. площадь начального сечения улитки корпуса турбины ТКР, см2

Результаты расчета представлены в приложении А.

2.2 Алгоритм программы «Gas-k_si.xls». Газодинамический расчет компрессора Целью расчета является определение размеров элементов проточной части центробежного компрессора и его характеристик, обеспечивающих необходимые показатели работы (рк и Gв) и оптимальные показатели эффективности (зк). Программа позволяет рассчитывать одновременно три варианта компрессора, соответствующих режимам 1,2 и 3.

Исходные данные:

Gв — массовый расход воздуха через компрессор, кг/с рк — степень повышения давления воздуха в компрессоре Т0 — температура воздуха на всасывании, К Р0 — давление атмосферного воздуха, Па у0 — коэффициент потери полного давления воздуха на всасывании ц1 — безразмерная скорость б1 — угол входа потока в колесо в абсолютном движении, °

?шк — потери напора в колесе компрессора

кд — относительная шероховатость стенок диффузора лу — коэффициент трения в улитке

— отношение меридиональных скоростей на выходе и входе в колесо компрессора

i — угол атаки на входе в колесо компрессора, °

в2р — угол установки лопаток на выходе из колеса

— относительный диаметр колеса компрессора на входе

— относительный диаметр втулки колеса компрессора

— относительная ширина диффузора

— относительный диаметр диффузора компрессора

z — число лопаток колеса

sд — толщина лопатки у корня в нормальном сечении, м

?л — расстояние между соседними лопатками у корня в нормальном сечении, м

— относительный радиус центра масс выходного сечения улитки корпуса компрессора

F6 — площадь выходного сечения корпуса компрессора, м2

1. Коэффициент полной работы

2. Адиабатический КПД компрессора в первом приближении

3. Коэффициент напора

4. Плотность атмосферного воздуха, кг/м2

5. Полное давление воздуха на входе в колесо компрессора, Па

6. Температура заторможенного потока на входе в колесо компрессора, К

7. Окружная скорость колеса на наружном диаметре, м/с

8. Окружная скорость потока на входе в колесо компрессора, м/с

9. Окружная скорость потока на среднем диаметре входа в колесо, м/с

10. Абсолютная скорость потока на входе в колесо, м/с

11. Критическая скорость потока на входе в колесо, м/с

12. Относительная скорость потока на входе в колесо, м/с

13. Газодинамическая функция

14. Газодинамическая функция

15. Статическое давление потока на входе в колесо, Па

16. Плотность воздуха на входе в колесо, кг/м2

17. Температура воздуха на входе в колесо, К

18. Входной диаметр колеса, м

19. Наружный диаметр колеса, м

20. Диаметр втулки колеса, м

21. Средний диаметр колеса на входе, м

22. Относительный средний диаметр колеса на входе

23. Окружная скорость колеса на среднем диаметре входа, м/с

24. Угол входа потока в колесо в относительном движении, °

25. Угол установки лопаток на входе в колесо, °

26. Скорость потока на входе в колесо в относительном движении, м/с

27. Относительная скорость потока в относительном движении

28. Число Маха по скорости в относительном движении

29. Угол установки лопаток на входе на диаметре d0, грд

30. Максимальное число полных лопаток, которое можно разместить на колесе

31. Коэффициент уменьшения напора

32. Окружная скорость потока на выходе из колеса, м/с

33. Радиальная скорость потока на выходе из колеса, м/с

34. Абсолютная скорость потока на выходе из колеса, м/с

35. Угол выхода потока из колеса в абсолютном движении, °

36. Угол выхода потока из колеса в относительном движении, °

37. Скорость потока на выходе из колеса в относительном движении, м/с

38. Температура заторможенного потока на выходе из колеса диффузора и корпуса компрессора, К

39. Теоретический коэффициент напора

40. Коэффициент напора на выходе из колеса

41. Степень повышения давления воздуха в колесе

42. Полное давление воздуха на выходе из колеса, Па

43. Плотность воздуха на выходе из колеса по заторможенным параметрам, кг/м3

44. Критическая скорость потока на выходе из колеса м/с

45. Относительная скорость потока на выходе из колеса м/с

46. Газодинамическая функция

47. Газодинамическая функция

48. Плотность воздуха на выходе из колеса, Па

49. Статическое давление воздуха на выходе из колеса, Па

50. Температура воздуха на выходе из колеса, К

51. Ширина лопаток колеса на наружном диаметре, м

52. Относительная ширина лопаток колеса на наружном диаметре, м

53. Температура заторможенного потока воздуха на выходе из колеса в относительном движении, К

54. Относительная скорость потока воздуха на выходе из колеса в относительном движении, м/с

55. Ширина щели диффузора, м

56. Наружный диаметр диффузора, м

57. Гидравлический диаметр диффузора, м

58. Динамическая вязкость воздуха на входе в диффузор, Па•с

59. Кинематическая вязкость воздуха на входе в диффузор, м2•с

60. Число Рейнольдса для течения в диффузоре

61. Коэффициент трения в диффузоре

62. Плотность воздуха на выходе из диффузора в первом приближении, кг/м3

63. Окружная скорость потока на выходе из диффузора, м/с

64. Радиальная скорость потока на выходе из диффузора, м/с

65. Абсолютная скорость потока на выходе из диффузора, м/с

66. Угол выхода потока из диффузора, °

67. Средний угол потока в диффузоре, °

68. Потери на трение в диффузоре, Дж/кг

69. Потери напора в диффузоре

70. Коэффициент напора на выходе из диффузора

71. Степень повышения давления воздуха после диффузора

72. Полное давление воздуха на выходе из диффузора, Па

73. Плотность воздуха на выходе из диффузора по полным параметрам, кг/м3

74. Относительная скорость потока на выходе из диффузора

75. Газодинамическая функция

76. Плотность воздуха на выходе из диффузора, кг/м3

77. Газодинамическая функция

78. Газодинамическая функция

79. Давление воздуха на выходе из диффузора, Па

80. Температура воздуха на выходе из диффузора, К

81. Радиус центра массы выходного сечения улитки

82. Окружная скорость потока в выходном сечении улитки корпуса компрессора, м/с

83. Диаметр выходного сечения улитки корпуса компрессора в первом приближении, м

84. Потери на трение в улитке компрессора, Дж/кг

85. Потеря напора в улитке компрессора

86. Коэффициент напора на выходе из улитки компрессора

87. Степень повышения давления воздуха на выходе из улитки компрессора

88. Полное давление воздуха на выходе из улитки компрессора

89. Относительная скорость потока на выходе из улитки компрессора Газодинамическая функция Газодинамическая функция Давление воздуха на выходе из улитки компрессора, Па

93. Температура воздуха на выходе из улитки компрессора, К

94. Плотность воздуха на выходе из улитки компрессора, кг/м3

95. Характерный параметр улитки компрессора, м

96. Площадь выходного сечения улитки корпуса компрессора, м2

97. Диаметр выходного сечения улитки корпуса компрессора, м

98. Скорость потока на выходе из патрубка корпуса компрессора, м/с

99. Полное давление воздуха на выходе из патрубка корпуса компрессора, Па

100. Относительная скорость потока на выходе из патрубка корпуса компрессора

101. Газодинамическая функция

102. Газодинамическая функция

103. Давление воздуха на выходе из патрубка корпуса компрессора, Па

104. Температура воздуха на выходе из патрубка корпуса компрессора, К

105. Плотность воздуха на выходе из патрубка корпуса компрессора, кг/м3

106. Адиабатический КПД компрессора

107. Дисковые потери на трение, кВт

108. Коэффициент дисковых потерь

109. Частота вращения компрессора, мин-1

110. Мощность, необходимая для привода компрессора, Вт

2.3 Алгоритм программы Gas-t_si.xls. Газодинамический расчет турбины Целью расчета является получение размеров элементов проточной части радиально — осевой турбины и ее характеристик, обеспечивающих необходимые показатели работы компрессора и двигателя в целом.

В этой программе используются исходные данные и результаты расчетов по обеим предыдущим программам. Недостающие исходные данные выбираем на основе рекомендаций [2,3].

Исходные данные:

Gв — массовый расход воздуха через компрессор, кг/с

n — частота вращения ротора ТКР, мин-1

Nк — мощность, необходимая для привода компрессора, Вт б — коэффициент избытка воздуха двигателя

— температура выпускных газов перед турбиной, °

Р2 — статическое давление выпускных газов за турбиной, Па б1 — угол входа потока в колесо турбины, °

б2 — угол выхода потока из колеса турбины, °

i — угол атаки на входе в колесо турбины, °

— отношение меридиональных скоростей потока на входе и выходе колеса турбины в1л — угол установки лопаток на наружном диаметре колеса турбины, °

— относительный диаметр колеса турбины на выходе

— относительный диаметр втулки колеса турбины на выходе ц — скоростной коэффициент для корпуса турбины ш — скоростной коэффициент для колеса турбины

овых — коэффициент потерь с выходной скоростью д2 — зазор между лопатками колеса и корпусом турбины, м ввент — экспериментальный коэффициент вентиляционных потерь з мех — механический КПД

1. Массовый расход газа через турбину, кг/с

2. Эффективный КПД турбины в первом приближении

3. Располагаемая работа выпускных газов перед турбиной, Дж/кг

4. Скорость адиабатического истечения газа через эквивалентное сопло, м/с

5. Необходимая степень уменьшения давления газа в турбине

6. Угол входа потока в колесо

7. Относительная окружная скорость на входе в колесо

8. Относительный средний диаметр на входе в колесо

9. Относительная окружная скорость на выходе из колеса

10. Безразмерная скорость

11. Степень реактивности

12. Окружная скорость колеса на наружном диаметре, м/с

13. Наружный диаметр колеса, м

14. Полное давление газа перед турбиной, Па

15. Плотность газа перед турбиной по полным параметрам, кг/м3

16. Скорость газа на входе в колесо турбины, м/с

17. Относительная скорость газа на входе в колесо турбины

18. Число Маха на входе в колесо турбины

19. Газодинамическая функция

20. Газодинамическая функция

21. Газодинамическая функция

22. Статическое давление газа перед турбиной, Па

23. Температура газа перед турбиной, К

24. Плотность газа перед турбиной, кг/м3

25. Ширина лопатки колеса на наружном диаметре, м

26. Относительная ширина лопатки колеса на наружном диаметре

27. Окружная составляющая скорости потока на входе в колесо, м/с

28. Радиальная составляющая скорости потока на входе в колесо, м/с

29. Относительная скорость потока на входе в колесо, м/с

30. Температура заторможенного потока газа на входе в колесо в относительном движении, К

31. Относительная скорость потока на входе в колесо в относительном движении

32. Газодинамическая функция

33. Полное давление газа на входе в колесо в относительном движении, Па

34. Адиабатическая работа расширения в колесе, Дж/кг

35. Диаметр колеса турбины на выходе, м

36. Диаметр втулки колеса турбины, м

37. Средний диаметр колеса турбины на выходе, м

38. Окружная скорость колеса на выходном диаметре, м/с

39. Относительная скорость потока на выходе из колеса, м/с

40. Температура заторможенного потока газа на выходе из колеса в относительном движении, К

41. Температура газа на выходе из колеса, К

42. Плотность газа на выходе из колеса, кг/м3

43. Осевая составляющая скорости потока на выходе из колеса, м/с

44. Угол выхода потока из колеса в относительном движении, °

45. Скорость потока газа на выходе из колеса, м/с

46. Окружная составляющая скорости потока на выходе из колеса, м/с

47. Угол выхода потока из колеса, °

48. Относительная скорость потока на выходе из колеса в относительном движении, м/с

49. Число Маха на выходе из колеса в относительном движении

50. Окружная работа колеса, Дж/кг

51. Окружной КПД турбины

52. Потери с выходной скоростью, Дж/кг

53. Потери в корпусе турбины, Дж/кг

54. Потери в колесе турбины, Дж/кг

55. Утечка газа через зазор по обводу колеса, кг/с

56. Потери с утечкой, Дж/кг

57. Мощность потерь на трение диска и вентиляцию, Вт

58. Потери на трение диска и вентиляцию, Дж/кг

59. Адиабатический КПД турбины

60. Внутренний КПД турбины

61. Эффективный КПД турбины (конец цикла по)

3 Графическая часть

3.1 Построение внешней скоростной характеристики двигателя График строим по результатам программы «PIK-FT», графики строим для трех режимов: максимального крутящего момента, расчетного режима, номинальный режим с регулированием.

Таблица 1 — К построению внешней скоростной характеристики

Рисунок 2 — Внешняя скоростная характеристика

3.2 Построение совместной характеристики двигателя и компрессора Степень совершенства компрессора определяется его характеристикой. Основной характеристикой центробежного компрессора является зависимость степени повышения давления и адиабатического КПД от массового расхода воздуха при постоянной окружной скорости колеса на наружном диаметре.

Абсолютная скорость на входе в колесо С1

Определение расхода воздуха Gв, кг/с где F1- площадь входного сечения колеса компрессора Рассчитывается коэффициенты напора и полной работы по опытным зависимостям Рассчитать степень повышения давления воздуха Рассчитывается адиабатический КПД компрессора В начале расчета принимаем С2=350, 450, 550

Производим расчеты по выше набранным формулам, принимая значение ц1 в диапазоне 0,35…0,15

По результатам расчета строится расходная характеристика компрессора.

На расходной характеристике компрессора наносится скоростная характеристика двигателя в тех же координатах.

Анализ совместной работы двигателя и компрессора заключается в оценке взаимного расположения зоны максимальных КПД компрессора и зоны преимущественных режимов работы двигателя.

Рисунок 3 — Совместная характеристика двигателя и компрессора

3.3 Построение треугольников скоростей и параметров потока по сечениям Треугольник скоростей представляет собой графическое изображение взаимного расположения векторов абсолютной, окружной и относительной скоростей потоков воздуха и газа в сечениях проточной части компрессора и турбины.

Построения треугольников скоростей на входе и выходе в колеса компрессора и турбины строятся с учетом масштаба м=2 м/с/мм. Значения скоростей берем из приложения Для расчетного режима строятся графики изменения статического и полного давления, плотности, температуры, плотности; абсолютную скорость воздуха в корпусе компрессора по сечениям 1−6

Рисунок 3 — График абсолютной скорости воздуха в компрессора Рисунок 4 — График полного и статического давления газа по сечениям Рисунок 5 — График полного и статической температуры газа по сечениям Рисунок 6 — График полного и статической плотности газа по сечениям

Заключение

Произведен газодинамический расчет турбокомпрессора определены проходные сечения улитки компрессора и турбины.

Построена внешняя скоростная характеристика двигателя по следующим параметрам крутящий момент, эффективная мощность, степень повышения наддувочного воздуха, степень понижения давления, температуры газа перед турбиной, расход воздуха через двигатель, коэффициент избытка воздуха, удельный расход топлива.

Показано изменение параметров компрессора по сечениям (давление, плотность, температура, абсолютная скорость).

Построена совместная характеристика двигателя и компрессора. Конструкция компрессора оптимальна, для данного двигателя.

1 Циннер К. Наддув двигателей внутреннего сгорания / Под ред. И. Н. Иванченко.-Л: Машиностроение, 1978. 222с.

2 Турбонаддув высокооборотных дизелей / А. Э. Симсон, В. Н. Каминский: Машиностроение, 1976. -288 с.

3 Савельев Г. М., Зайченко Е. Н. Турбокомпрессоры теплообменники надувочного воздуха автомобильных двигателей: Учебное пособие / Ярославль, 1983. -96 с.

4 Наддув и нагнетатели автомобильных двигателей / Н. С. Ханин, А. Н. Шерстюк:-М.: Машиностроение, 1965. -222 с.