Основные сведения о системе газотурбинного наддува

    12. Система газотурбинного наддува 
 

    12.1 Основные сведения о системе газотурбинного наддува 

     Одним из перспективных способов форсирования ДВС является применение наддува. Увеличение количества воздуха, поданного в цилиндры двигателя, то есть их массового наполнения, даёт возможность подавать большее количество топлива, тем самым, повышая эффективную мощность двигателя. Практически это осуществляется посредством повышения плотности воздушного заряда поступающего в цилиндры, то есть посредством  наддува

     Наибольшее распространение  получили системы газотурбинного наддува или т.н. комбинированные двигатели со свободным турбокомпрессором (с газовой связью). В качестве нагнетателей как правило,  применяют центробежные компрессоры. Их привода используются центростремительные, реже осевые турбины. Основными достоинствами системы газотурбинного наддува являются:

1. Отсутствие потерь эффективной мощности на привод компрессора.
2. Использование энергии отработавших газов.

     Однако  у неё есть ряд недостатков, основными из которых являются два.

1. На долевых нагрузках ввиду малой энергии отработавших газов мощность турбины резко падает, из-за чего снижается давление наддува. В некоторых случаях оно становится меньше давления газов в выпускном коллекторе, что приводит к ухудшению качества продувки и газообмена в целом. В ДВС с механической связью недостаток мощности турбины компенсируется мощностью, отбираемой от поршневого двигателя.
2. Более низкие пусковые качества и приемистость. Это вызвано тем, что в периоды пуска и приема нагрузки двигателя вал турбокомпрессора из-за инерции раскручивается медленно, а значит, медленно повышается и давление.

       Устранение  данного недостатка, связанного с пониженной приёмистостью, предлагается выполнить путём установки двух турбокомпрессоров с роторами меньшей массы и габаритов, а, следовательно, обладающих меньшим моментом инерции, обслуживающих каждый из рядов отдельно, взамен одного общего обслуживающего все цилиндры. При этом время разгона ротора турбокомпрессора значительно сокращается.

       Турбокомпрессора устанавливаются на торцах блоков цилиндров с помощью кронштейнов. Нагнетаемый компрессорами воздух направляется в общий охладитель наддувочного воздуха (ОНВ) типа «вода – воздух». Хладагентом служит вода системы охлаждения. После ОНВ воздух направляется в цилиндры двигателя. Охлаждение наддувочного воздуха снижает теплонапряжённость деталей двигателя, увеличивает массовое наполнение цилиндра свежим зарядом, а следовательно улучшает процесс сгорания.

    Частота вращения турбокомпрессора комбинированного двигателя находится в пределах от 10000 до 130000 мин^-1 (это значит, что лопатки турбины на периферии имеют линейную скорость близкую к скорости звука).

    Основным  элементом турбокомпрессора является ротор, состоящий из рабочих колес турбины и  компрессора, объединенных жесткой осью.

    После воздушного фильтра воздух попадает во входное устройство, выполненное в виде сужающегося канала и служащее для предотвращения срыва воздушного потока на входе в рабочее колесо. Вращающийся направляющий аппарат (ВНА), представляющий собой отогнутую переднюю часть лопаток рабочего колеса. ВНА служит для изменения направления воздушного потока на входе в рабочее колесо и уменьшения таким образом аэродинамических потерь.

В рабочем колесе воздуху сообщается кинетическая и  потенциальная (в виде давления) энергия. При его вращении под действием центробежных сил воздух по каналам, образованным лопатками, перемещается к периферии колеса. Каналы спрофилированы т.о. что абсолютная скорость потока возрастает, а относительная остаётся практически неизменной.

Кинетическая  энергия на выходе колеса составляет обычно около половины общей энергии  потока, поэтому для превращения  ее в энергию давления за рабочим колесом устанавливают безлопаточный диффузор, представляющий собой кольцевую щель увеличивающегося сечения. При движении воздуха в нём вследствие непрерывного увеличения площади проходного сечения скорость потока падает, а давление возрастает.

За безлопаточным  щелевым диффузором возможна установка  лопаточного диффузора, который  представляет собой набор неподвижных лопаток в которых происходит дальнейшее торможение потока и его подкручивание с целью сокращения пути в воздухозборной улитке и уменьшения тем самым аэродинамических потерь на трение

    Отработавшие  газы из выпускного коллектора двигателя попадают в газосборную улитку турбины. Проходя по постепенно сужающемуся внутреннему каналу, они ускоряются. После газосборной улитки отработавшие газы попадают в сопловой аппарат, где скорость их также увеличивается, кроме того, происходит их подкручивание в направлении вращения рабочего колеса.В рабочем колесе турбины кинетическая энергия газового потока преобразуется в механическую работу на валу турбины. 

    12.2 Расчет энергетического баланса поршневой части компрессора и турбины агрегата наддува 

     Производится расчет турбокомпрессора  обслуживающего блок объединяющий 4 цилиндра, 4-х тактного 8 цилиндрового дизельного двигателя.  Эффективная мощность N_е=254 кВт, частота вращения коленчатого вала n = 2000 об/мин,  ход поршня S = 125 мм, диаметр цилиндра D = 115 мм.    

                             

    Исходные  данные для расчёта турбокомпрессора принимаются:  

    – удельный эффективный расход топлива  g_e=203 г/(кВт×ч);

    – эффективный КПД h_е=0,42

    – давление наддува p_k=0,2 МПа;

    – температура отработавших газов Т_r=810 К;

    – температура окружающего воздуха  Т₀=293 К;

    – давление окружающего воздуха p₀=0,101МПа;

    – низшая теплота сгорания Q_H=42,44 МДж/кг;

    – коэффициент избытка воздуха a=1,6;

    – количество воздушной смеси М₁=0,948 кмоль/кг; 

      Определяем требуемый расход воздуха через компрессор  

               g_е×N_е×M₁×m_в

         G_в= ¾¾¾¾¾¾ , кг/с                                                          (12.1)

                  3600×k 

где N_e – эффективная мощность двигателя, кВт;

    m_в - относительная молекулярная масса воздуха, кг/кмоль.

    М₁ – количество воздушного заряда, кмоль/кг;

    g_е – удельный эффективный расход топлива, г/кг×К;

    k – число турбокомпрессоров на двигателе.

    Принимаем: m_в=28,97 кг/кмоль, k=2 

           0,203×254×0,948×28,97

         G_в= ¾¾¾¾¾¾¾¾   = 0,196 кг/с

    3600×2 

    Работа  адиабатного сжатия в компрессоре 

                  k

         l_ад.к.= ¾¾ ×Rв×To×(p^(k-1)/k-1), Дж/кг                                        (12.2)

                k-1 

где p - степень повышения давления;

    k - показатель адиабаты для воздуха;

    R_в - газовая постоянная воздуха, Дж/(кг×К);

    T_o - температура окружающей среды, К.

     

         p=P_к/P_o                                                                                    (12.3) 

где P_o - давление окружающей среды.

    Принимаем P_o =0,101 МПа. 

         p=0,2/0,101=1,98 

    Принимаем k=1,4; R_в=287 Дж/(кг×К); Т_o=293 К. 

                1,4

         l_ад.к.= ¾¾ ×287×293×(1,98^(1,4-1)/1,4-1)=63441 Дж/кг

               1,4-1 

    Действительная  удельная работа сжатия воздуха  в компрессоре 

                l_ад.к.

         l_д.к.= ¾¾¾ , Дж/кг                                                               (12.4)

                h_ад.к. 

где h_ад.к. – адиабатный КПД компрессора.

    Принимаем h_ад.к.=0,70. 

               63441

         l_д.к.= ¾¾¾–– =90630 Дж/кг

                0,7

     

    Мощность  необходимая на привод компрессора  

         N_к=G_в×l_д.к. ×10^-3, кВт                                                              (12.5) 

         N_к=0,196×90630×10^-3=17,75 кВт 

    Мощность  необходимая на турбины  

               N_к

         N_т= ¾¾ , кВт                                                                        (12.6)

             h_мех 

где h_мех – механический КПД турбокомпрессора.

    Принимаем h_мех=0,97. 

               17,75

         N_т= ¾¾¾ =18,49 кВт

               0,96 
 
 

    Расход  отработавших газов через турбину 

               g_е×N_е

         G_т= ¾¾¾ ×(1+M₁×m_г), кг/с                                                  (12.7)

               3600 

где m_г – относительная молекулярная масса отработавших газов, кг/кмоль.

    Принимаем m_г=28,97 кг/кмоль. 

             0,203×127