Материал: 2363
НАЗЕМНЫЙ ТРАНСПОРТ
Теперь сработает реле ускорения «1У» и своими замыкающими контактами в цепи ротора шунтирует резисторы «R1» и катушку реле ускорения «1РУ».
Ток в якорной цепи вновь резко увеличивается, но реле ускорения «1РУ» уже не срабатывает поскольку оно исключено из якорной цепи.
При дальнейшем разгоне двигателя аналогично будут работать реле ускорения «2У» и «3У» при меньших уставках тока, и соответственно будут включаться контакторы ускорения «2У» и «3У», которые шунтируют вторую и третью ступени резисторов в цепи ротора, после чего двигатель будет работать с номинальной угловой скоростью на естественной характеристике.
Заключение
Реле блокировки «РБ» создаёт некоторую задержку времени, необходимую для того, чтобы ток в цепи ротора достиг значения, при котором реле ускорения «1РУ», «2РУ», «3РУ» успели открыть свои размыкающие контакты.
Эта электрическая система автоматического управления пуском асинхронного трехфазного двигателя с фазным ротором позволяет включить двигатель в трехфазную сеть напряжения одним только нажатием кнопки «Пуск».
Научный руководитель к. т.н., доцент Н.Ф. Коцарев
Библиографический список
1.Кацман М.М. Электрические машины. М.: Выс. шк. 2003.-469 с.
2.Костенко Г.Н., Пиотровский Л.М. Электрические машины. Л., 1072. Ч.1 – 544 с.; 1973. Ч.2. -648 с.
3.Вольдек А.И. Электрические машины. Л., 1978. – 832 с.
4.Руппель Е.Ю. Элементы теории вероятностей и методы статистической обработки экспериментальных данных: Учебное пособие. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2003 -141 с.
5.Горелов С.В. Автономные источники и преобразователи электрической энергии для потребителей северных регионов/С.В. Горелов [и др.]//Науч. проблемы трансп. Сибири и Дал. Востока. -2008. -№1. - С.
239 - 243. |
25 |
|
THE RELAY-CONTACT METHODS OF CONTROL OF ELECTRIC ENERGY CONSUMERS
R.S. Zhagdanov
Abstract. The paper provides a detailed analysis of the control elements of an asynchronous motor with a phase rotor and its protection. The interaction of all elements of an automatic engine start control system is described in detail. The advantage of using an asynchronous motor with a phase rotor is convincingly proved in comparison with a squirrel cage rotor despite the complication and increase in the cost of the engine and control system. The system for starting an asynchronous motor with a phase rotor as a function of the current and the features of its functioning are considered. The perspective of the field of use of an asynchronous motor with a phase rotor is considered.
Keywords: asynchronous motor, phase rotor, contactor, magnetic starter, short-circuited rotor, thermal relays.
Коцарев Николай Фёдорович - Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ), кафедра «Тепловые двигатели и автотракторное электрооборудование», канд. техн. наук, доцент. 644 080, г. Омск, Проспект Мира, 5. Телефон 60 80 28.
Жагданов Руслан Сипулаевич, студент СибАДИ, группы ЭАТб13-А1. Телефон 60 80 28.
Kotsarev Nikolai Fyodorovich. Siberian State Automobile and Highway Universitety (SibADI), Department "Thermal engines and tractor electrical equipment", cand. tehn. Sciences, Associate Professor. 644080, Omsk, Mira, 5. Phone 60 80 28.
Zhagdanov Ruslan Sipulaevich, student of SibADI, group EATb13-A1. Phone 60 80 28.
|
References |
|
1. |
Katsman M.M. Electric cars. M .: High. Shk. 2003.-469 p. |
|
2. |
Kostenko GN, Piotrovsky LM Electric cars. L., 1072. Part 1 - 544 p .; 1973. Part. -648 sec. |
|
3. |
Woldek A.I. Electric cars. L., 1978. - 832 p |
|
|
|
|
Техника и технологии строительства, № 1(9), 2017 |
http://ttc.sibadi. |
|
НАЗЕМНЫЙ ТРАНСПОРТ
4.Ruppel E.Yu. Elements of the theory of probability and methods of statistical processing of experimental data: Textbook. -Omsk: SibADI Publishing House, 2003 -141 p.
5.Gorelov S.V. Autonomous sources and converters of electric energy for consumers of northern regions / S.V. Gorelov [and others] // Nauch. Transp. Siberia and Dal. East. -2008. -№1. -FROM. 239-243
УДК 621.515.5
РАСЧЁТ ТУРБИНЫ С ПОВОРОТОМ ЛОПАТОК СОПЛОВОГО АППАРАТА
Е.А. Компанистов
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ), Россия, г. Омск
Аннотация. В статье приведена схема газотурбинного наддува двигателя внутреннего сгорания. Для автоматического регулирования давления воздуха на выходе из центробежного компрессора предложена радиально-осевая турбина с изменяемой геометрией. Рассмотрены устройство и принцип действия агрегата наддува с поворотом лопаток соплового аппарата турбины. Дана методика расчета турбины с изменяемой геометрией соплового аппарата. Приведены результаты расчёта основных параметров турбины в зависимости от угла входа газа на лопатки турбины.
Ключевые слова: агрегат наддува, компрессор, турбина, сопловый аппарат, лопатка.
Введение
В настоящее время в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) широко используется газотурбинный наддув (рис. 1). Турбокомпрессор – это агрегат, состоящий из центробежного компрессора 2 и газовой турбины 3, рабочие колеса которых расположены на одном валу. Вал 26 колеса компрессора и турбины не связан с коленчатым валом двигателя 1. Поэтому турбокомпрессор называется свободным, а связь с двигателем – газовой.
Турбина работает от отработавших газов (ОГ) двигателя, энергия которых используется на привод компрессора. Газовая связь обеспечивает простоту конструктивного выполнения и удобную компоновку на двигателе всего агрегата наддува.
Газ входит в сопловой аппарат с определенной скоростью, давлением и температурой. Лопатки соплового аппарата образуют сужающие каналы (конфузоры), в которых происходит увеличение скорости, в результате понижения давления и температуры газа [1].
Из соплового аппарата газ поступает в межлопаточные каналы рабочего колеса. При движении через рабочую решётку газ обтекает лопатки, меняя при этом направление движения (рис. 2). Вследствие поворота газового потока, а в большинстве случаев и ускорения его движения возникает сила, приложенная к лопаткам. Касательная составляющая этой силы создает крутящий момент на валу турбины.
Рисунок 1 – Схема газотурбинного наддува: |
Рисунок 2 – Движение отработавших |
|
1 – ДВС; 2 – компрессор центробежного |
газов в каналах турбины |
|
типа; 3 – турбина радиально-осевая |
|
радиально-осевой |
|
|
|
Техника и технологии строительства, № 1(9), 2017 |
http://ttc.sibadi. |
|
НАЗЕМНЫЙ ТРАНСПОРТ
Для согласования работы двигателя с турбокомпрессором используют следующие способы регулирования турбины [2]:
–поворот лопаток входного направляющего (соплового) аппарата турбины;
–изменение высоты (ширины) соплового аппарата;
–перепуск части ОГ мимо турбины в атмосферу.
В настоящее время многие фирмы, занимающиеся выпуском турбокомпрессоров («Garrett», «KKK» «Hitachi», «Mitsubishi», «Toyota»), производят турбины с изменяемой геометрией [3]. При низких частотах вращения вала двигателя и небольшом потоке ОГ, угол входа потока газа на лопатки выбирается оптимальным, равным 15 – 25 градусов. В данном случае КПД турбины становится максимальным, частота вращения колеса турбины и компрессора достигает требуемого значения, обеспечивая необходимое давление воздуха на выходе из компрессора.
При увеличении частоты вращения вала двигателя и большем потоке поступающих в корпус турбины отработавших (выпускных) газов, система автоматически изменяет угол входа газа на лопатки турбины, поддерживая степень наддува двигателя на нужном уровне и защищая сам турбокомпрессор от чрезмерно высокой скорости вращения.
На рис. 3 показан общий вид турбокомпрессора с поворотом лопаток соплового аппарата, что обеспечивает изменение угла входа потока газа на колесо турбины [4]. Движение штока, который служит для поворота лопаток соплового аппарата, обеспечивается камерой управления (регулятором давления). В полости камеры управления имеется мембрана и предварительно сжатая пружина. Когда сила на мембране будет больше силы пружины, начнется движение штока. Поступательное движение штока приводит к повороту рычагов с диском и лопаток соплового аппарата, что изменяет угол входа газа на лопатки колеса турбины.
Вместо регулятора давления механического типа применяют и регуляторы с электрическим управлением.
27
Рисунок 3 – Турбокомпрессор с автоматической системой поворота лопаток соплового аппарата турбины
Расчёт радиально-осевой турбины и определение влияния поворота лопаток соплового аппарата на выходные параметры турбины
Расчет радиально-осевой турбины с изменяемой геометрией выполнен для четырехцилиндрового дизеля Заволжского моторного завода ЗМЗ-5148.10, с диаметром цилиндра 87 мм, х одом поршня 94 мм, рабочий объёмом 0,56 л, степенью сжатия 19,5, частотой вращения 3900 мин-1, средним эффективное давление 1,3 МПа, мощностью 95 кВт.
При расчёте турбины определяли следующие величины: расход газа через турбину, наружный и средний диаметры колеса турбины на выходе, располагаемый перепад энтальпии, давление газа перед турбиной, окружной, внутренний и эффективный коэффициент полезного действия (КПД) турбины, мощность на валу турбины [5, 6].
Исходными данными для расчета турбины являются результаты теплового расчета двигателя и расчетные данные компрессора. Турбина должна обеспечить необходимую мощность и частоту вращения вала компрессора.
|
|
Техника и технологии строительства, № 1(9), 2017 |
http://ttc.sibadi. |
НАЗЕМНЫЙ ТРАНСПОРТ
Из результатов расчета компрессора имеем следующие исходные данные: |
|
|
|
|
|
|||||||
1. частота вращения колеса компрессора, nК = 120000 мин -1; |
|
|
|
|
|
|||||||
2. удельная работа при адиабатном сжатии воздуха в компрессоре, Lад = 75000 Дж/кг; |
|
|
|
|
|
|||||||
3. адиабатный КПД компрессора, ηад = 0,8; |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
4. массовый расход воздуха в каналах компрессора, МК = 0,16 кг/с; |
|
|
|
|
|
|||||||
5. наружный диаметр колеса компрессора, D2К = 0,05 м. |
|
|
|
|
|
|||||||
Для ОГ двигателя принимаем: k =1,34; R = 286,4 Дж/(кг·К); плотность газа ρ = 0,9 кг/м3 при |
|
|
|
|||||||||
850 0С. Температура газов перед турбиной То = 850 – 950 К и давление газов на входе в |
|
|
|
|||||||||
турбину РТ = РК = 0,22 МПа, давление газа за турбиной 0,11 – 0,12 МПа. |
|
|
|
|
|
|||||||
1. Расход газа через турбину с учётом сгоревшего топлива принимаем равным |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
МТ = 1,03 МК = 0,165 кг/с. |
(1) |
|
|
|
||||||
Наружный диаметр колеса турбины принимаем равным диаметру колеса компрессора |
D1 |
= |
|
|
|
|||||||
D2К = 0,05 м. Поэтому окружные скорости на входе в колесо турбины и выходе из колеса |
|
|
|
|||||||||
компрессора будут равны U1Т = U2К = π ∙ nК ∙D2К / 60 = |
3,14 120 000 0,05 /60 = 314 м/с. Частота |
|
|
|
||||||||
вращения колеса компрессора равна частоте вращения колеса турбины nК=nТ =120000 мин-1. |
|
|
|
|||||||||
Так как колеса турбины и компрессора закреплены на одном валу, то их мощности равны друг |
|
|
|
|||||||||
другу [7] NК = NТ = 15 кВт. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
У реактивных турбин скорость газа увеличивается в каналах рабочего колеса (они |
|
|
|
|||||||||
выполняются в виде сужающих каналов) и там же срабатывается. Для упрощения расчетов |
|
|
|
|||||||||
принимаем турбину активную. В такой турбине перепад энтальпии переходит в энергию |
|
|
|
|||||||||
скорости в сопловом аппарате. Площадь входа в колесо турбины и на выходе из турбины |
|
|
|
|||||||||
принимаем равной друг другу. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
2. Исходя из равенства |
NT = NK , необходимый перепад энтальпии в турбине вычисляется |
|
|
|
||||||||
по формуле |
M K Lад |
|
|
0,16 75000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ЭT = |
|
= |
|
=113636 Дж/кг. |
(2) |
|
|
|
|||
|
|
28 |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
ηад ηТ МТ |
0,8 0,8 0,165 |
|
|
|
|
|
|
|||
3. Мощность на валу турбины определяется из выражения [4] |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
||||||||
|
NT |
= ЭT MT ηT =113636 0,165 0,8 =15000 Вт, |
(3) |
|
|
|
||||||
где ЭT − |
располагаемый перепад энтальпии (теплоперепад), Дж/кг. Энтальпия – это энергия, |
|
|
|
||||||||
связанная |
с данным состоянием |
газа |
– температурой, давлением, скоростью; |
ηT |
– |
|
|
|
||||
эффективный КПД турбины, (0,7 − 0,8).
На рис. 4 показан план скоростей на входе в колесо (точка 1) и выходе из него (точка 2). Газ выходит из колеса по среднему диаметру (расчетный вектор скорости).
При входе газа в улитку 3 турбины (площадь входа в турбину принимается равной площади на входе в компрессор) он обладает энергией скорости, температурой и давлением. Температура и давление газа переходят в кинетическую энергию в результате уменьшения сечения в выходной части соплового аппарата. Сопловый аппарат 4, образованный лопатками, закрепленными на неподвижном диске, служит для оптимального направления потока газа на лопатки колеса турбины и преобразования энергии газа в кинетическую энергию. Для автоматического регулирования давления воздуха на выходе из компрессора сопловый аппарат турбины выполняется с поворотными лопатками. Это позволяет изменять угол входа потока газа на лопатки колеса турбины и её мощность.
Турбина работает за счет кинетической энергии (скорости) ОГ двигателя. Поступая на криволинейные лопатки колеса турбины 5, поток газа обтекает их, меняет направление движения, создавая силу. Сила действует на плечо, образуя крутящий момент. В результате этого колесо турбины и компрессора приводятся во вращательное движение.
Диск соплового аппарата турбины неподвижен, поэтому в нем работа не совершается. Теплообмен с внешней средой за короткий промежуток времени очень мал, и им пренебрегаем (процесс считаем адиабатным).
|
|
Техника и технологии строительства, № 1(9), 2017 |
http://ttc.sibadi. |
НАЗЕМНЫЙ ТРАНСПОРТ
4. Уравнение энергии для входного и выходного каналов соплового аппарата турбины имеет вид [4 ]
|
W |
2 |
|
W |
2 |
, |
(4) |
СР Т1 + |
1 |
= СР Т2 + |
2 |
||||
|
|||||||
|
2 |
|
|
2 |
|
|
|
где Т и W – температура и скорость газа в каналах соплового аппарата.
Рисунок 4 – План скоростей на входе (точка 1) в колесо турбины и выходе (точка 2): С – абсолютная скорость; W – относительная скорость; U − окружная скорость
Предположим, что скорость на выходе из соплового аппарата W2 полностью тормозится на лопатках колеса и переходит в энергию давления. Тогда уравнение (4) можно записать в виде
|
CP (T1 −T2 )= |
W 2 |
. |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
29 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
||||||||
5. Обозначив CP (T1 −T2 ) через |
|
|
|
2 |
|
ЭТ, а скорость W через |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
перепад |
энтальпии |
условную |
||||||||||
адиабатную скорость истечения САД, получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
CАД = |
|
|
= |
|
|
= 436 м/с. |
(5) |
|
|
|
||
|
2 ЭT |
|
2 113636 |
|
|
|
||||||
Параметр быстроходности турбины b = U1Т / САД = 314 /436 =0,72. Обычно в радиальноосевых турбинах b = 0,65 – 0,75.
6. Распределение перепад энтальпии турбины ЭТ зависит от реактивности RR, которая представляет собой отношение энтальпии, преобразуемой в энергию скорости в каналах колеса турбины ЭК к общей энтальпии перед турбиной ЭТ
RR = ЭК / ЭТ. |
(6) |
7. Для определения энтальпии, преобразуемой в энергию скорости в сопловом аппарате
турбины ЭС, запишем уравнение |
|
ЭС =(1 - RR)· ЭТ. |
(7) |
Следует отметить, что если RR = 0, то турбину называют активной. Вся энергия, подведенная к турбине, преобразуется в кинетическую энергию только в сопловом аппарате. Если RR = 1, то турбину называют реактивной. Энергия, подведенная к турбине, преобразуется в скорость в каналах рабочего колеса и там же она преобразуется в механическую работу. Часто применяют турбины комбинированные. В нашем примере турбина по конструктивному исполнению ближе к активной турбине. Для RR = 0,1376 и ЭТ = 113636 Дж/кг величина ЭС =
98000 Дж/кг. |
|
8. Скорость ОГ на выходе из соплового аппарата определим из выражения |
http://ttc.sibadi. |
Техника и технологии строительства, № 1(9), 2017 |