Выбор турбокомпрессора наддува судового двигателя внутреннего сгорания и его поверочный расчёт.

Оглавление
TOC \o "1-3" \h \z \u 1 Выбор турбокомпрессора наддува для двигателя заданной мощности PAGEREF _Toc77284007 \h 21.1 Расход воздуха двигателя PAGEREF _Toc77284008 \h 21.2 Давление наддува PAGEREF _Toc77284009 \h 21.3 Давление на выходе из компрессора PAGEREF _Toc77284010 \h 31.4 Выбор турбокомпрессора по данным типоразмерного ряда изготовителя PAGEREF _Toc77284011 \h 31.5 Устройство турбокомпрессора PAGEREF _Toc77284012 \h 41.6 Определение основных размеров проточной части турбокомпрессора PAGEREF _Toc77284013 \h 82 Расчёт рабочего процесса в центробежном компрессоре PAGEREF _Toc77284014 \h 112.1 Общие положения PAGEREF _Toc77284015 \h 112.2 Окружная скорость рабочего колеса компрессора PAGEREF _Toc77284016 \h 112.3 Расчёт рабочего процесса компрессора PAGEREF _Toc77284017 \h 112.4 Параметры компрессора PAGEREF _Toc77284018 \h 113 Расчёт рабочего процесса в осевой турбине PAGEREF _Toc77284019 \h 123.1 Исходные данные PAGEREF _Toc77284020 \h 123.2 Располагаемые параметры турбинной ступени PAGEREF _Toc77284021 \h 123.3 Степень реактивности ступени турбины PAGEREF _Toc77284022 \h 123.4 Расчёт турбинной ступени по среднему диаметру PAGEREF _Toc77284023 \h 123.5 Оценка прочности рабочих лопаток PAGEREF _Toc77284024 \h 12Заключение PAGEREF _Toc77284025 \h 13
Выбор турбокомпрессора наддува для двигателя заданной мощностиРасход воздуха двигателяРасход воздуха двигателем, мощность которого, тактность, удельный эффективный расход топлива заданы, определяется по известному выражению /2/:
G=α0∙φ∙Ne∙be∙L03600=2,2∙1,45∙46000∙0,171∙14,33600=9,967 кг/сгде Ne – эффективная мощность двигателя, кВт;
be - удельный расход топлива, кг/кВт-ч;
L0 – теоретическое количество воздуха для сжигания одного килограмма топлива L0 = 14,3 кг воздуха/кг топлива;
α0 – коэффициент избытка воздуха, принимаемый предварительно в зависимости от тактности двигателя, типа продувки, быстроходности;
φ - коэффициент продувки, также зависящий от тактности двигателя, типа продувки, быстроходности.
Давление наддуваПлотность воздуха в продувочном ресивере определяется по уравнению состояния совершенного газа
ρS=psR∙TSЗдесь ps давление воздуха в продувочном ресивере, требуемое для обеспечения продувки
R=287 Дж/(кг К) – газовая постоянная воздуха;
TS- абсолютная температура воздуха в ресивере
Ts = 25℃+273℃+ 10÷15К=311 K Температура забортной воды по заданию 25℃, а температура воздуха на выходе из воздухоохладителя принимается выше этой температуры на 10÷15℃.
Давление в ресивере продувочного воздуха можно подсчитать по формуле
ps=be∙αo∙pe∙Rв∙Ts250∙ηv=0.171∙2,2∙1,82∙106∙287∙311250∙0,79=0,309∙106 Па,ηv – коэффициент наполнения цилиндра.
Давление на выходе из компрессораДавление за компрессором может быть получено, если задаться перепадом давления воздуха в воздухоохладителе Δp =0,5÷3,5 кПаpк= ps+Δp=0,309∙106+3000=0.312∙106 Па=3.12 бар .
Выбор турбокомпрессора по данным типоразмерного ряда изготовителяТурбокомпрессоры для наддува двигателей заданных параметров подбираются из данных изготовителя ТК фирмы ABB по известным значениям расхода воздуха и степени повышения давления компрессора. На Рис. 1 приведены характеристики типоразмерного ряда турбокомпрессоров типа TPL этой фирмы. Данные о ТК приведены в виде зависимости степени повышения давления компрессора от объёмного расхода воздуха для ТК различных размеров и их вариантов исполнения.
Объемный расход воздуха (подача) приведен для принятых для судовых двигателей начальных условий окружающей среды – давлением воздуха перед двигателем p0 =100 кПа и температуре To = 25 °С (298 K). Объёмный расход связан с массовым очевидным соотношением
V=Gρ0=9.9671.169=8.52 м3/cгде плотность воздуха перед компрессором определяется по уравнению состояния
ρ0=p0R∙T0=100 000287∙298=1.169 кг/м3
Рис.1. Параметры типоразмерного ряда турбокомпрессоров наддува типа TPL фирмы АВВ для двухтактных двигателей/7/
По рисунку 1и рассчитанным данным принимаем 1 турбокомпрессор TRL-73-B A165-L,
Диаметр рабочего колеса компрессора, 0,506м,
Коэффициент скольжения, μ = 0,715
Следующим этапом после выбора турбокомпрессора из типоразмерного ряда является определение необходимых параметров лопаточного диффузора компрессора и лопаточного аппарата турбины. Эти параметры находятся путем расчета рабочего процесса в компрессоре и турбине на номинальном режиме работы.
Устройство турбокомпрессораУстройство турбокомпрессоров типа TPL представлено на Рис.2. Принципиальной особенностью конструкции является применение подшипников скольжения, расположенных между рабочими колёсами компрессора и турбины, что определяет компоновку всего агрегата.
Особенности турбокомпрессоров типа TPL:
- радиальный компрессор и осевая турбина с повышенным расходом воздуха, эффективностью и степенью повышения давления;
- возможно применение охлаждения компрессора для расширения границ использования алюминиевого колеса компрессора;
- конструкция с жесткими опорами и специальным фильтром- глушителем минимизирует вибрацию;
- свободно плавающий диск осевого подшипника, радиальные подшипники с эффектом масляного демпфирования;
- подача и слив масла снизу;
- нет водяной системы охлаждения;
- встроенная система очистки турбины и компрессора;
- модульная конструкция;
- возможны различные варианты разворота корпусов и положения их фланцев.
Воздух в проточную часть компрессора поступает через фильтр-глушитель
1, который очищает воздух от аэрозолей топлива и масла в машинно-котельном отделении и снижает высокочастотный шум, вызываемый входными кромками рабочего колеса компрессора 12, благодаря шумопоглощающим радиальным вставкам. Конфузорный канал перед рабочим колесом компрессора, в котором понижается давление и возрастает скорость потока, вместе с фильтром-глушителем образуют входное устройство компрессора.
Рабочее колесо (РК) компрессора 12 осерадиальное, полуоткрытого типа, изготавливается из высокопрочного алюминиевого сплава методом фрезерования из цельной заготовки. Межлопаточные каналы колеса у вершин лопаток открытые. Рабочее колесо имеет осевую часть с загнутыми в сторону вращения лопатками и радиальную часть, лопатки которой незначительно загнуты в противоположную вращению сторону. В результате работы РК повышается давление воздуха и скорость воздуха на выходе.
Рабочее колесо (РК) компрессора 12 осерадиальное, полуоткрытого типа, изготавливается из высокопрочного алюминиевого сплава методом фрезерования из цельной заготовки. Межлопаточные каналы рабочего колеса открытые. Рабочее колесо имеет осевую часть с загнутыми в сторону вращения лопатками и радиальную часть, лопатки которой незначительно загнуты в противоположную вращению сторону. РК совершает работу, в результате чего повышается давление воздуха и скорость воздуха на выходе.

Рис.2. Устройство турбокомпрессора наддува типа TPL ABB
1 – фильтр-глушитель; 2 – опорный подшипник; 3 – упорный подшипник; 4
– вал; 5 – опорный подшипник турбины; 6 – газовыпускной патрубок; 7 – га-
зовпускной патрубок; 8 – сопловой аппарат (сопловое кольцо) ; 9 –
рабочее колесо турбины; 10 – корпус подшипникового узла; 11 - лопаточный
диффузор; 12 - рабочее колесо компрессора; 13 – выходное устройство ком-
прессораРадиальное кольцевое пространство между рабочим колесом и лопаточным диффузором называется безлопаточным или щелевым диффузором, т.к. вследствие увеличения радиусов в этой области течения от РК до ЛД увеличивается сечение, скорость потока снижается и давление воздуха возрастает. Лопаточный диффузор (ЛД) 11 является направляющим аппаратом компрессора, в котором за счет уменьшения скорости повышается давление воздуха.
В выходном устройстве - 13, часто называемом улиткой, заканчивается процесс повышения давления в компрессоре. Давление на выходе соответствует требуемой степени повышения давления.
Упрощенный схематичный продольный разрез турбокомпрессоров типа TPL на Рис.3 в дополнение к Рис.2 с достаточной степенью подробности даёт возможность представить устройство ТК для последующего построения чертежа турбокомпрессора и эскиза проточной части. На приведенной схеме покааны два варианта входного устройства компрессора: с фильтром-глушителем и с всасывающим коленом, применяющимся в случае компоновочных ограничений или общего воздухоприёмного устройства для нескольких турбокомпрессоров.

Рис.3. Продольный разрез турбокомпрессора типа TPL
Определение основных размеров проточной части турбокомпрессора
Рис.4. Эскиз проточной части турбокомпрессора типа TPL
На эскизе обозначены «контрольные сечения» проточных частей компрессора и турбины, в которых определяются параметры потока. В компрессоре сечение 0 - сечение перед входом воздуха в фильтр-глушитель; 1- вход в рабочее колесо компрессора; 2- сечение выхода из рабочего колеса; 3 – вход в лопаточный диффузор; 4 – выход из лопаточного диффузора и вход в выходное устройство-улитку; 5 – выход из улитки.
В турбине сечение 0 – сечение перед сопловым аппаратом; 1 – сечение за сопловым аппаратом перед рабочим колесом; 2 – сечение за рабочим колесом турбины.
В результате построения эскиза определяются: диаметр рабочего колеса (РК) компрессора у втулки входных кромок рабочих лопаток - d0 , периферийный диаметр рабочих лопаток на входе в РК – d1, ширину РК В, диаметр входа в лопаточный диффузор d3, диаметр выхода из лопаточного диффузора d4, средний диаметр рабочего колеса турбины d2 Т, средний диаметр соплового аппарата d1Т, высоты лопаток соплового аппарата l1Т, рабочего колеса l2Т , корневой и периферийный диаметры диффузора за рабочим колесом турбины. Высоты лопаток рабочего колеса компрессора, лопаточного диффузора и турбинной ступени могут быть уточнены.
Оценочные основные пропорции проточной части рабочего колеса компрессора и турбины ТК типа TPL в пропорциях к диаметру рабочего колеса компрессора, полученные из анализа эскиза турбокомпрессора, соответствуют пропорциям ТК подобной конструкции и других производителей:
относительный диаметр втулки РК
d0d2к = 0,20; d0= 0,20∙d2к=0,2∙0,506=0,1012 мотносительный периферийный диаметр входа
d1d2к = 0,76;d1= 0,76∙d2к=0,76∙0,506=0,385 мотносительная высота рабочих лопаток на выходе
l2кd2к= 0,16;l2k= 0,16∙d2к=0,16∙0,506=0,081 мотносительный диаметр входа в лопаточный диффузор
d3d2к = 1,19;d3= 1,19∙d2к=1,19∙0,506=0,602 мотносительный диаметр выхода из лопаточного диффузора
d4d2к = 1,54;d4= 1,54∙d2к=1,54∙0,506=0,779 мотношение среднего диаметра рабочего колеса турбины к наружному диаметру колеса компрессора
d2Тd2к = 0,8;d2T= 0,80∙d2к=0,8∙0,506=0,4048 мотносительная высота сопловой лопатки турбины
l1d2к=0,32;l1= 0,32∙d2к=0,32∙0,506=0, 162мотносительная высота рабочей лопатки турбины
l2d2к=0,38;l2= 0,38∙d2к=0,38∙0,506=0,192 мотносительный периферийный диаметр диффузора
за рабочим колесом турбины
dдd2к=1,35;dД= 1,35∙d2к=1,35∙0,506=0,683 мширина диффузора за рабочим колесом турбины
bдd2к=0,76;bД= 0,76∙d2к=0,76∙0,506=0,385 мДлина вала турбокомпрессора относительно диаметра рабочего колеса компрессора составляет
Ld2к = 4,0.L= 4∙d2к=4∙0,506=2,024 мГеометрические параметры лопаточного аппарата компрессора и турбины (высоты и углы профилей лопаток диффузора компрессора, сопловых и рабочих лопаток турбины) в рамках поставленной задачи находятся путём расчёта рабочего процесса в компрессоре и турбине
Расчёт рабочего процесса в центробежном компрессореОбщие положенияОкружная скорость рабочего колеса компрессораРасчёт рабочего процесса компрессораПараметры компрессораРасчёт рабочего процесса в осевой турбинеИсходные данныеРасполагаемые параметры турбинной ступениСтепень реактивности ступени турбиныРасчёт турбинной ступени по среднему диаметруОценка прочности рабочих лопатокЗаключениеВ результате выбора турбокомпрессора для наддува двигателя заданной номинальной мощности и параметров эффективности определены путём расчётов рабочего процесса компрессора и турбины определяющие геометрические характеристики:
площадь входа лопаточного диффузора компрессора и угол входа в лопаточный аппарат диффузора;
площадь соплового аппарата турбины и угол выхода из сопловых каналов.
Составляется итоговая таблица результатов, включающая в себя следующие сведения:
номинальная мощность двигателя, тип газообмена;
среднее эффективное давление;
удельный эффективный расход топлива;
тип выбранного турбокомпрессора наддува;
степень повышения давления компрессора;
диаметр рабочего колеса компрессора;
КПД компрессора и турбины.
По результатам расчётов рабочего процесса в компрессоре и турбине строятся треугольники скоростей компрессорной и турбинной ступеней в произвольно выбранном масштабе и схемы рабочего процесса в ступенях компрессора и турбины также в масштабе.