Розрахунок турбокомпресора

ХЕРСОН 2016

ХЕРСОНСЬКА ДЕРЖАВНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ

Факультет суднової енергетики

Кафедра експлуатації суднових енергетичних установок

та загальноінженерної підготовки

Освітньо-кваліфікаційний рівень «бакалавр»

Напрям підготовки 6.070104 «Морський та річковий транспорт»

Професійне спрямування «Експлуатація суднових енергетичних установок»

ЗАТВЕРДЖУЮ

Завідувач кафедри експлуатації суднових енергетичних установок та загальноінженерної підготовки

______ .д.т.н., проф. А.В.Букетов

“____” _______________2016 року

З А В Д А Н Н Я

НА КУРСОВУ РОБОТУ КУРСАНТУ

Овчарову Данила Олександровича

Тема роботи: « Розрахунок турбокомпресора суднового двигуна».

Керівник роботи к.т.н., доц.,Агєєв М.С.

1. Строк подання студентом роботи _______________________________

2. Вихідні дані до роботи: Ефективна потужність,N_e = 850кВт,питома ефективна витрата палива, g_e = 197 г/(кВт×год.),тиск наддуву Р_к = 0,32 МПа, коефіцієнт надлишку повітря,α = 2,2.

3.Змістрозрахунково - пояснювальної записки: Розрахунок турбокомпресора, розрахунок відцентрового компресора, розрахунок турбіни, особливості експлуатації суднових турбінних установок.

4. Перелік графічного матеріалу: Повздовжній переріз турбокомпресора ТК-23.

6. Дата видачі завдання _________ _____________________________________

КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН

Курсант _________ Овчаров Д.О.

Керівник роботи ______ к.т.н.,доц. Агєєв М.С.

РЕФЕРАТ

Курсова робота складається з пояснювальної записка, яка викладена на 52 сторінках формату А4, та креслення формату А1. Пояснювальна записка містять 4 рисунки.

У даній курсовій роботі проведен розрахунок турбокомпресора.У процесі виконання роботи проводиться визначення розміри і параметри турбокомпресора, профілізація меридіональних перетинів колеса компресора і колеса турбіни, виконується профілізація дифузора лопатки і соплового апарату турбіни, використовуючи існуючі профілі лопаток. Також описується особливості експлуатації суднових турбінних установок.

КЛЮЧОВІ СЛОВА: Суднова турбінна установка, експлуатація, компресор, робоче колесо, дифузор, сопловій апарат.

РЕФЕРАТ

Курсовая работа состоит из пояснительной записка, которая изложена на 52 страницах формата А4, и чертежа формата А1. Пояснительная записка содержит 4 рисунки.

В данной курсовой работе проведен расчет турбокомпрессора.В процессе выполнения работы проводится определение размеров и параметров турбокомпрессора, профилирование меридиональных сечений колеса компрессора и колеса турбины, выполняется профилирование диффузора лопатки и соплового аппарата турбины, используя существующие профили лопаток. Также описывается особенности эксплуатации судовых турбинных установок.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Судовая турбинная установка, эксплуатация, компрессор, рабочее колесо, диффузор, сопловой аппарат.

РЕФЕРАТ

Coursework consists of an explanatory note, which set out on 52 pages A4 and A1-size drawing. Explanatory note contains 4 pictures.

In this coursework were conducted calculation of turbocharger. During implementation of the work dimensioning of the main parameters of turbocharger, profiling of the meridian section of the compressor wheel and the turbine wheel, profiling blades diffuser and turbine nozzles were conducted. This coursework also describes features of exploitation of marine turbine installations.

KEYWORDS: Ship turbine setting, exploitation, compressor, driving wheel, диффузор, by a nozzle vehicle.

ЗМІСТ

ВСТУП..................................................... …… 4

ВСТУП

В основі роботи дизеля лежить перетворення енергії палива, що спалюється в механічну роботу, тому, чим більше спалено палива, тим більшу роботу зможе розвинути двигун. Але кількість палива, яке може ефективно згоріти в циліндрах заданого розміру, лімітується масою розміщеного в них заряду повітря.

Для збільшення маси заряду повітря потрібно збільшити його щільність. У свою чергу щільність повітря може бути збільшена, якщо підняти тиск повітря і знизити його температуру. Таке технічне рішення, яке дозволяє підвищити агрегатну потужність двигуна за рахунок збільшення циклової подачі палива і заряду повітря при практично незмінному коефіцієнті надлишку повітря, називається наддувом. Найбільш перспективним способом підвищення потужності є газотурбінний наддув.

РОЗДІЛ 1

КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ ТУРБОНАГНІТАЧА

1.1 Конструкція та призначення турбонагнітача

Головне призначення турбокомпресора - забезпечення двигуна внутрішнього згорання, на всіх режимах роботи, необхідною кількістю повітря (киснем), сприяючи повному згорянню палива при мінімальній питомій витраті і низьку токсичність вихлопних газів.

Рисунок 1.1 - Турбокомпресор ТК-23: 1-корпус компресора; 2-робоче колесо компресора; 3-вставка; 4-дифузор; 5-гумове кільце; 6-кожух теплоізоляційний, 7-ротор; 8-кожух соплового апарату; 9-робоче колесо турбіни; 10-корпус випускний; 11-проушина, 12-сопловой апарат, 13-корпус газопріемний, 14-підшипник з боку турбіни (опорний), 15-кришка підшипника; 16-штуцер; 17-патрубок; 18-екран; 19-кожух ротора; 20-кронштейн, 21-штифт; 22-компенсатор; 23-підшипник з боку компресора (опорно-упорний); 24-дросель

Турбокомпресор складається з осьової одноступінчастої газової турбіни і відцентрового одноступінчастого компресора. Він має остов, ротор 7,сопловий апарат, лопатковий дифузор, підшипники ротора і ущільнення.

Остов турбокомпресора складається з трьох корпусів: самого компресора 1, випускного 10 і газового 13, відлитих з алюмінієвого сплаву і скріплених шпильками. Ротор 7 являє собою два пустотілих полувала, між якими уварений диск турбіни. Робочі лопатки колеса турбіни 9 прикріплені до диска за допомогою замків ялинкового типу, які дозволяють замінювати окремі лопатки в разі їх пошкодження. Диск і лопатки колеса турбіни виготовлені зі спеціальних жароміцних сталей. Колесо компресора 2 виготовлено з алюмінієвого сплаву, пов'язане з валом за допомогою шліців і для забезпечення центрування посаджена на гладку шийку валу з натягом.

Проточна частина колеса компресора обмежена вставкою 3, прикріпленою гвинтами до корпусу компресора. На тильній стороні колеса є гребінці, які з невеликим проміжком підходять до гребінців на нерухомому диску і утворюють таким чином лабіринтове ущільнення, що перешкоджає проникненню стисненого повітря в порожнину випускного корпусу.

Ротор 7 турбокомпресора після складання проходить динамічне балансування. Перед робочими лопатками турбіни встановлений сопловий апарат 12, лопатки якого виготовлені з жаростійкої стали і укладені між внутрішнім і зовнішнім кільцями. По внутрішньому кільцю сопловий апарат спеціальними болтами кріпиться до газового корпусу. Такими ж болтами до газового корпусу прикріплений і чавунний кожух 8 соплового апарату.

Лопатковий дифузор 4 компресори виконаний у вигляді диска з лопатками, що утворюють решітку, і закритий вставкою. З протилежного боку дифузор ущільнений гумовим кільцем 5 і зафіксований штифтом 21. Завдяки решітці траєкторія руху частинок повітря від колеса компресора значно скорочується, що призводить до зменшення втрат на тертя, тому компресор з лопатковим дифузором має високий к.к.д.

РОЗДІЛ 2

РОЗРАХУНОК ТУРБОКОМПРЕСОРА

2.1 Вихідні параметри

Розрахунок вихідних параметрів проводимо за наступною методикою.

2.1.1 Витрата повітря через компресор

Витрата повітря через компресор розраховується за наступною формулою:

де - теоретично необхідна кількість повітря для згорання 1 кг палива =14,3 кг повітря/кг палива;

- ефективна потужність, кВт;

- питома ефективна витрата палива, г/(кВт×год.);

- коефіцієнт надлишку повітря;

φ - коефіцієнт продування.

2.1.2 Об'ємна витрата повітря через компресор

де R – газова стала повітря, R = 0,287 кДж/(кг× К);

T - температура повітря після компресора, К.

Температура газу перед турбіною вибирається з діапазону

2.1.3 Коефіцієнт молекулярної зміни випускних газів з урахуванням коефіцієнта продування

, (кг/кмоль)

(кг/кмоль)

де - кількість продуктів згорання при ; кмоль/кг;

- теоретично необхідна кількість повітря для згорання 1кг палива; = 0,495 кмоль/кг.

2.1.4 Молекулярна маса газу перед турбіною

, (кг/кмоль)

, (кг/кмоль)

, (кг/кмоль)

де - молекулярна маса повітря, = 28,96 кг/кмоль.

2.1.5 Газова стала випускних газів перед турбіною

,

де = 8,314 кДж/кг – універсальна газова стала

2.1.6 Показник адіабати випускних газів

2.1.7 Ступінь підвищенню тиску

Маючи початкову інформацію: витрата повітря через компресор і ступінь підвищення тиску вибирається турбокомпресор по полях продуктивності (рис. 1). Робиться ескіз проточної частини компресора.

Потім проводиться розрахунок основних параметрів компресора. Проте для проведення розрахунку необхідно заздалегідь задати к.к.д. компресора і напірний к.к.д. .

В результаті розрахунку компресора визначається його дійсний к.к.д., коефіцієнт натиску і ступінь підвищення тиску . Ці дані не винні відрізняться від прийнятих більш ніж на 5%.

Отримані результати використовуються при розрахунку турбіни. Приймається частота обертання валу турбіни n = n = n .

2.1.8 Витрата газу через турбіну

Якщо тепловий розрахунок не проводився, то , а показник адіабати випускних газів . Для розрахунку турбіни необхідно задати ККД турбіни .

Рисунок 2.1 - Поля продуктивності турбокомпресорів ТКР

Після розрахунку турбіни перевіряють відповідність отриманого к.к.д прийнятому і рівність потужностей компресора і турбіни. Дані параметри не винні відрізняться більше 10%.

Виконується ескіз турбіни і проводиться її розрахунок.

Визначивши основні розміри і параметри турбокомпресора, проводиться профілізація меридіональних перетинів колеса компресора і колеса доцентрової турбіни.

Виконується профілізація дифузора лопатки і соплового апарату турбіни, використовуючи існуючі профілі лопаток.

Профілі соплових і робочих лопаток осьової турбіни отримують шляхом їх побудови.

Виконується подовжній (по осі ротора) переріз турбокомпресора. Подовжні перерізи деяких турбокомпресорів приведені в додатку.

РОЗДІЛ 3

РОЗРАХУНОК ВІДЦЕНТРОВОГО КОМПРЕСОРА

Методика розрахунку

Параметри навколишнього середовища P, [МПа], Т,[К].

3.1.1 Тиск загальмованого потоку на вході у вхідний пристрій

, МПа

, МПа

де МПа - опір повітряного фільтру.

3.1.2 Температура загальмованого потоку на вході

,К

,К

3.1.3 Швидкість потоку на вході

, м/с

3.1.4 Температура повітря на вході

, К

, К

де k - показник адіабати повітря, k = 1,4.

3.1.5 Тиск і щільність повітря

, МПа

, МПа

, кг/м

, кг/м

3.1.6 Площа вхідного перетину вхідного патрубка

, м²

, м²

Діаметр ,м

,м

3.1.7 Площа перетину на вході в колесо

, м²

3.1.8 Швидкість повітря на вході в робоче колесо

, м/с

, м/с

Оскільки щільність невідома, в першому наближенні приймемо .

3.1.9 Температура на вході в робоче колесо

, ⁰К

, ⁰К

3.1.10 Втрати у вхідному патрубку

, Дж/кг,

, Дж/кг,

де - коефіцієнт втрат вхідного патрубка

- для осьового;

- для криволінійного.

3.1.11 Показник політропи повітря у вхідному патрубку

3.1.12 Тиск на вході в колесо

, МПа

, МПа

3.1.13 Щільність повітря

, кг/м³

, кг/м³

Визначуваний відсоток помилки при допущенні , по формулі

Якщо помилка перевищує 5%, розрахунок з п.3.1.8. слід повторити з новим значенням щільності .

3.1.14 Адіабатна робота стиснення в компресорі

, кДж/кг

, кДж/кг

3.1.15 Окружна швидкість колеса на зовнішньому діаметрі

, м/с

, м/с

де - напірний ККД залежить в основному від діаметру колеса D₂, =(1,15 1,35) - для компресора з безлопатковим дифузором, =(1,30 1,45) - з лопатковим дифузором.

У сучасних компресорах u₂ повинна бути 450 м/с.

3.1.16 Коефіцієнт витрати компресора

Оптимальне значення = 0,2 0,35, якщо значення відрізняється від оптимального, необхідно змінити швидкість або .

3.1.17 Основні розміри колеса

Діаметр втулки

мм

, мм

Діаметр колеса на вході

, мм

, мм

Розрахунок параметрів проводити на середньому діаметри колеса. Для виконаних коліс:

,м

Середній діаметр на вході в колесо

, м.

, м.

Кількість лопаток