Расчет центробежного компрессора и центростремительной турбины

                              F× t= m∙(C1 – C2).                                                  (2.8)

      Разделив левую  и правую части уравнения  2.8 на время  t, получим

                                  F = M×(C1 – C2),                                                  (2.9)

где F – сила, действующая на лопатки  колеса в Н;  М – массовый  расход газа в кг/с;  С1 и С2 – абсолютные скорости на входе в колесо турбины и выходе из него в м/с.

    Окружная  сила Fu, вращающая колесо турбины, находится из выражения

                                    Fu =M×(C1.u – C2.u),                                                 (2.10)

где   C1.u и C2.u – окружные составляющие абсолютной  скорости на входе и выходе из колеса.

      Мощность                           N= Fu× u,                                                     (2.11)

где u – окружная скорость в м/с  (u = × R).

  Работа одного кг газа на участке  от входа до выхода из колеса турбины (работа, затраченная на вращение колеса, окружная работа)

Lu =N / M,   Lu = U1Т×C1.u – U2Т× C2.u = U1Т C1 cos a1

– U2Т×C2 cos a2  ,     (2.12)

где  2 – угол выхода газа из колеса турбины или угол между векторами окружной и абсолютной скоростью на выходе (85 – 95 градусов).

2.8  Окружной КПД турбины оценивает эффективность работы газа на колесе без учета потерь энергии, равен 0,8 – 0,9

                                            

О =  Lu / HT.                                                          (2.13)

Внутренний КПД турбины  есть отношение затраченной работы к подведенной (с учетом всех потерь). Он достигает 0,7 – 0,8. К потерям  энергии следует отнести потери, связанные с перетеканием газа через зазоры между колесом турбины и корпусом, а также потери на вихреобразование и трение в каналах колеса. Потери энергии в колесе составляют примерно 10%  от работы газа на колесе турбины (Lu).

2.9 Внутренний  КПД турбины

                                               В =  0,9×Lu / HT                                                                    (2.14)                                                                                                    

2.10 Эффективный КПД турбины (полный) достигает 0,7– 0,8 и определяется из выражения:

                                             hТ  = hВ ×  hМ                                                 (2.15)

где –  механический КПД, учитывает потери энергии на трение в подшипниках скольжения, равный 0,96 – 0,98.

2.11   Мощность на валу турбины в кВт:

                                   NТ = HТ × MТ ×hТ /1000.                                             (2.16)

Мощность турбины должна быть равна мощности компрессора (допускается расхождение не более 5%).

2.12 Общий КПД турбокомпрессора  достигает значения  0,5 – 0,6 и находится по формуле:

                                                     

об = ад∙ т.                                                                (2.17)

 

Более подробно методика расчета колеса компрессора и турбины приведена в работе [3, 4].

Определив основные размеры колеса компрессора и турбины, соплового аппарата  компрессора (диффузора) и турбины (конфузора), КПД, выбрав схемы подвод газа к турбине и автоматического регулирования, завод-изготовитель, выбирают марку турбокомпрессора, проводят испытание (доводку) на двигателе и внедряют в производство.

 В таблице  приведены  технические характеристики отечественных турбокомпрессоров (компрессора и турбины).

.

Турбокомпрессоры  ТКР- 5,5 выпускаются с регулирующим клапаном, что позволяет изменять мощность на валу турбины путем перепуска газов мимо рабочего колеса [5].

 

Параметры турбокомпрессоров предприятия

 «Воронежский механический завод».

 

Техническая характеристика	ТКР-5,5  Н-5	ТКР-5,5   С-1	ТКР 5,5 С-3	ТКР-7 Н-1	ТКР -9 С-2 и С-3
КОМПРЕССОР
1. Номинальный диаметр колеса,  мм	52±1	52±1	54±1	75±1	90±1
2. Максимальный КПД, не менее  в %	70	70	70	75	75
ТУРБИНА
1. Номинальный диаметр колеса,  мм	50±1	50±1	53±1	75±1	90±1
2. Максимальный КПД, не менее  в %	60	60	60	70	70
3. Максимальная подача  воздуха  компрессором, кг/с	0,1	0,11	0,15	0,15	0,25
4. Максимальная степень повышения  давления   pк	1,9	2,1	2,1	1,9	2,1
5. Частота вращения ротора, мин -1	150000	150000	130000	110000	85000
6. Масса  ТКР  в  кг	5,0	5,0	5,0	9,5	15,5
7. Область применения, мощность двигателя, кВт	ВАЗ- 3431(60)	ГАЗ- 560 (70)	ГАЗ -562 (90)	Д-440 (100)	Д-461,   В-400 (175-300)

 

 

Наряду с отечественными турбокомпрессорами, в двигателях применяют и зарубежные.  Из зарубежных представляет интерес турбокомпрессоры фирмы  ККК (Kuhnle , Kopp Kausch – Германия, Франция, США).  Фирма выпускает ряд турбокомпрессоров (КО, К1, К2, К3, К4, К5) с подачей воздуха от 0,02 до 2 кг/с и степенью повышения давления  от 1,5 до  4  для двигателей мощностью от 20 до 1000 кВт. Турбокомпрессоры имеют высокий КПД и автоматическую систему регулирования. Широкое применение получили системы с перепуском газа мимо турбины.

 

 

 

В заключение работы можно сделать  следующие выводы:

1. В представленной работе дана методика предварительного расчета центробежного компрессора и  центростремительной турбины, позволяющая производить выбор турбокомпрессора для  наддува двигателя внутреннего сгорания, форсированного по мощности. Эффективность турбокомпрессора оценивается максимальным значением КПД компрессора и турбины.

2. В приведенной методике расчета  давление в каналах компрессора определяется по изменению скорости и температуры газа. В основу расчета центростремительной турбины положены газодинамические  функции параметров торможения газа.

3. Рассмотрен выбор прототипа турбокомпрессора по требуемой подаче воздуха и степени повышения давления, что позволяет определить наружный диаметр колеса компрессора, турбины и технические данные турбокомпрессора.

4. Приведены характеристики отечественных и зарубежных  турбокомпрессоров, применяемых в современных двигателях.

 

Библиографический список

 

1. Хак Г.  Турбодвигатели и компрессоры: Справочное пособие.– М.: ООО Издательство «Астрель – АСТ», 2003. – 351 с.

2. А.с. 1539353 СССР, F-2 В 29/04. Двигатель внутреннего сгорания / В.Э. Лено, Ю.П. Макушев, Г.С. Шаталов. Заявлено 01.04.1988; Опубликовано    01. 10. 1989. № 4401877. Бюл. № 4 – 3 с.

3. Макушев Ю.П., Корнеев С.В., Рындин В.В. Агрегаты наддува двигателей: Учебное пособие. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2006. – 58 с.

4. Лашко В.А., Бердник А.Н.: Методика  оценки эффективности систем газотурбинного наддува комбинированных двигателей внутреннего сгорания. Учебное пособие – Хабаровск: Из-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2006. – 118 с.

5. Конкс Г.А., Лашко В.А. Поршневые ДВС. Современные принципы конструирования: Учебное пособие. – Хабаровск: Изд-во Тихоокеан.  гос. ун-та, 2006.– 560 с.

 

Лашко Василий Александрович,  докт. техн. наук, профессор, корреспондент РИА, зав. каф. "Двигатели внутреннего сгорания" Тихоокеанского гос. ун-та  (Хабаровск).

Макушев Юрий Петрович к.т.н., доцент  кафедры «Теплотехника и тепловые двигатели» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ), Омск, телефон 60 80 28.

Михайлова Лариса Юрьевна – инженер, Омск.