Согласованность работы компрессора и турбины

Совместная работа турбины и компрессора определяется следующими условиями.

1. N _т = N _к. 2. n _т = n _к

3. G _т = G _к + G _топ – G _ут. Так как G _топ» G _ут, то G _т = G _к.

Мощность, необходимая для привода компрессора определяется по формуле

.

Мощность турбины находят по экспериментальным или расчетным данным

.

При N _т < N _к увеличивают предварение выпуска газа или изменяют профиль рабочих лопаток.

Отдельно полученные характеристики компрессора и турбины ничего не говорят о показателях работы турбокомпрессора в целом.

Для определения параметров работы турбокомпрессора строят его характеристику.

Характеристикой турбокомпрессора называют график зависимости степени повышения давления воздуха и КПД компрессора, степени понижения давления газа и КПД турбины, а также температуры газа перед турбиной от расхода газа и частоты вращения ротора при совместной работе компрессора и турбины в составе турбокомпрессора.

Характеристика турбокомпрессора может быть получена экспериментально или построена по характеристикам компрессора и турбины.

Построение по характеристикам компрессора и турбины может быть выполнено аналитически или графически. Рассмотрим графический способ.

1. Строятся характеристики компрессора и турбины при выбранной постоянной частоте вращения (рис. 7.4 и рис. 7.5).

Рис. 7.4. Характеристика турбины при постоянной частоте вращения вала
и различных температурах газа

 Рис. 7.5. Характеристика компрессора при постоянной частоте вращения вала

2. Совмещают характеристики турбины и кривую мощности компрессора (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Совмещенные характеристики компрессора и турбины

2.1. Из точек пересечения кривых N _т и N _к проводят ординаты до пересечения с кривыми .

2.2. Соединяют отмеченные точки и строят кривые .

3. Строят зависимость  (нижняя часть графика на
рис. 7.6).

4. Аналогично строят кривые  для других частот вращения вала турбокомпрессора.

5. Совмещают на одном графике кривые  и  при разных частотах вращения вала и строят линии равных значений  (рис. 7.7).

Рис. 7.7. Построение линий равных значений  турбины

6. Совмещают на одном графике кривые  и  при разных частотах вращения вала и строят линии равных значений  (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Построение линий равных значений  газа перед турбиной

7. Строится характеристика турбокомпрессора. Для этого совмещают линии  с линиями  на одном графике (рис. 7.9).

Рис. 7.9. Характеристика турбокомпрессора

После этого можно находить режимы совместной работы турбокомпрессора и поршневой части.

7.3. Согласование характеристик турбокомпрессора
и поршневой части

Характеристика двигателя выбирается из условия удовлетворения требований потребителя: N_e = f (n), g_e = f (n). На основании этих зависимостей определяется гидравлическая характеристика двигателя p_к = f (G _к). По гидравлической характеристике подбирается агрегат воздухоснабжения.

Для конкретного агрегата гидравлическая характеристика будет отличаться от идеальной желаемой и, соответственно, характеристика двигателя будет зависеть от системы воздухоснабжения.

Расчет характеристик двигателя с приводным
турбокомпрессором

Схема двигателя с приводным турбокомпрессором и охлаждением наддувочного воздуха представлена на рис. 7.10.

Рис. 7.10. Схема двигателя с приводным турбокомпрессором и охлаждением наддувочного воздуха

Для построения характеристики необходимо иметь характеристики отдельных агрегатов.

Условия совместной работы компрессора, турбины и поршневой части следующие.

G _т = G _к.; n _тк = n × i _тк; .

За независимые параметры принимают частоту вращения вала n и цикловую подачу топлива g _т.ц..

Последовательность расчета.

1. При заданной частоте вращения вала двигателя n ₁ и цикловом расходе топлива g _т.ц. и, соответственно, G _к из характеристики компрессора определяются параметры воздуха после компрессора , и мощность на привод компрессора N _к (рис. 7.11).

Рис. 7.11. Схема определения параметров воздуха после компрессора

2. Рассчитывается процесс охлаждения в охладителе и определяются давление p _к и температура воздуха после компрессора Т _к.

3. Проводится расчет рабочего процесса и газообмена в поршневой части при разных значениях противодавления p_p, и определяются зависимости p_p = f (G), T_p = f (G) (рис. 7.12).

Рис. 7.12. Схема получения зависимостей p_p = f (G), T_p = f (G)

4. Находится режим совместной работы турбины и поршневой части.

4.1. Принимается первое приближение p_{p 1} и по нему определяются G ₁ и T_{p 1} (см. рис. 7.12).

4.2. По характеристике турбины определяется  и по нему  (рис. 7.13).

Рис. 7.13. Схема определения степени понижения давления в турбине

4.3. Сравниваются значения p_p и p_{p 1}. Если p_p ¹ p_{p 1} с определенной погрешностью, то принимается второе приближение
p_{p 2} = (p_{p 1} + p_p)/2, и расчет повторяется с п. 4.1 до получения р_р с заданной погрешностью.

4.4. По характеристике турбины находятся G _т и N _т (рис. 7.14).

Рис. 7.14. Схема определения расхода газа и мощности турбины

5. Значение G _т сравнивается с G _к (см. п. 1). Если G _т ¹ G _к, то задается другое значение G _к и расчет повторяется с п. 1 до тех пор, пока G _т и G _к не станут равны с заданной погрешностью.

6. На найденном режиме проводится тепловой расчет, и определяются эффективные показатели двигателя.

Затем задаются другие значения n ₁ и g _т.ц. и проводится аналогичный расчет.

Расчет характеристик комбинированного двигателя
с газовой связью

Условия совместной работы всех агрегатов дополняются еще одним условием N _к = N _тh_м, а связь частот вращения вала агрегатов записывается как n _к = n _т.

За независимые параметры принимаются частота вращения вала турбокомпрессора n _тк, частота вращения коленчатого вала двигателя n и цикловая подача топлива g _т.ц..

В качестве критериев сходимости принимаются равенство расходов (G _т = G _к) и равенство мощностей (N _к = N _тh_м).

Последовательность расчета может быть такой же, как и в предыдущем случае, только после п. 4.4 проверяется не только равенство расходов, но равенство мощностей.

7.4. Особенности работы системы воздухоснабжения
с двухступенчатым наддувом

Повышение степени повышения давления наддува более 3 при одной ступени компрессора вызывает уменьшение КПД и сужение диапазона работы по расходу воздуха.

Для расширения диапазона работы агрегатов наддува применяют двухступенчатый наддув. Диапазон характеристик двухступенчатого компрессора не может быть шире диапазона первой ступени. Для того чтобы диапазон работы не был уже, необходимо иметь диапазон работы второй ступени более широкий, чем первой.

Для снижения мощности на привод второго компрессора и повышения плотности воздуха применяют промежуточное охлаждение воздуха. Например, при p_к = 3,2 и охлаждении воздуха на 60° мощность на привод компрессора уменьшается на 8 %.

Суммарная удельная работа на привод компрессоров равна

.

Анализ зависимости показывает, что суммарная удельная работа минимальна при

.

Принципиально возможны три схемы соединения турбин и компрессоров, показанные на рис. 7.15.

Рис. 7.15. Схемы соединения турбин и компрессоров при двухступенчатом
наддуве

При снижении частоты вращения вала двигателя и, соответственно, расхода газа с компрессором низкого давления при разных схемах соединения происходит следующее.

1-я схема. Снижается теплоперепад в турбине низкого давления и, соответственно, частота вращения ротора компрессора. Компрессор переходит на новый режим работы (рис. 7.16).

Рис. 7.16. Переходный процесс работы компрессора при снижении
частоты вращения вала двигателя (1 схема)

2-я схема. Снижение теплоперепада в турбине высокого давления небольшое. Частота вращения компрессора низкого давления падает слабо. Так как расход через двигатель уменьшился, рабочая точка уходит в сторону помпажа (рис. 7.17).

Рис. 7.17. Переходный процесс работы компрессора при снижении
частоты вращения вала двигателя (2 схема)

3-я схема. Последняя схема соединения турбин и компрессоров занимает промежуточное положение.

Компрессор высокого давления менее критичен к изменению режима работы, так как его диапазон работы по расходу шире, а работает компрессор по частотам вращения вала в узком диапазоне.

Контрольные вопросы

1. Что называется гидравлической характеристикой двигателя?

2. С каким компрессором двигатель наиболее хорошо согласован: с роторно-винтовым или центробежным лопаточным?

3. Для какого режима выбирают параметры компрессора для транспортного двигателя?

4. Какими условиями определяется совместная работа турбины и компрессора?

5. Что называется характеристикой турбокомпрессора?

6. Для чего применяют промежуточное охлаждение воздуха при двухступенчатом наддуве?

7. Какая схема соединения газовых магистралей турбокомпрессоров при двухступенчатом наддуве предпочтительна и почему?