Материал: 2363
НАЗЕМНЫЙ ТРАНСПОРТ
CС =ϕ |
|
= 0,8 |
|
= 354 м/с. |
(8) |
2 ЭС |
2 98000 |
Здесь φ = 0,8 – 0,9 – коэффициент скорости, учитывающий потери на трение и образование вихрей в сопловом аппарате. Принимаем φ = 0,8.
9. Общая удельная работа (Дж/кг) при адиабатном сжатии воздуха в компрессоре находится из выражения [8]
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T |
k−1 |
|
−1 |
|
|
L |
= c |
p |
π k |
|
, |
(9) |
||
ад |
|
a |
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где СР = 1005 Дж/(кг·К) – удельная массовая изобарная теплоемкость воздуха; Та= 293 К – температура на входе в компрессор, к = 1,4 – показатель адиабаты; πk – степень повышения давления в компрессоре.
При πk = 2; 2,2; 2,5; 3,0 L =62000; 75000; 82000; 106000 Дж/кг. |
|
|
ад |
/ 0,64. Для L = 75000 Дж/кг величина ЭТ = 117187 Дж/кг. |
|
Примерная величина ЭТ = L |
||
ад |
ад |
|
10. Внешний диаметр колеса турбины в выходном сечении |
|
|
|
D2 = (0,6 −0,7)D1 , |
(10) |
где D1 – наружный диаметр колеса турбины. Принимаем D2 = 0,68· D1 = 0,68 · 5 = 3,4 см.
Для D1 = 5 см, D2 = 3,4 см, диаметре втулки DВТ =1,4 см, средний диаметр Dср = 2,4 см.
Средний диаметр делит на две равные части площадь выходного сечения колеса турбины. 11. Радиальная и окружная составляющие абсолютной скорости на входе в колесо равны
ССR = СС sin α1 , |
|
30 |
|
|
ССU = СC cosα1. |
(11) |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
||
12. Полезная работа 1кг газа на лопатках колеса турбины (м2/с2 или Дж/кг) равна [4]: |
|
|
|
|
LU =U1T CC U −UСР CСР = 314 354 −150,7 100 = 96086 Дж/кг , |
(12) |
|
|
|
где U1Т – окружная скорость на входе в колесо турбины, при равенстве наружных диаметров колес турбины и компрессора, 1Т = U2К ; Uср – окружная скорость на среднем диаметре
выхода газа из турбины, Uср =ω ·Dср / 2 ; Сср – скорость выхода газа на среднем диаметре, 50 − 100 м/с.
Угловая скорость ω = π ·nТ / 30 = 3,14 ·120 000 /30 = 12560 1/с, Uср
=150,7 м/с.
13. Мощность турбины при известном значении работы на колесе турбины LU и расходе газа через турбину МТ может быть определена из выражения
NТ = LU · МТ. |
(13) |
14. Окружной КПД турбины оценивает эффективность работы газа на колесе без учета потерь энергии, равен 0,8 − 0,9
η |
0 |
= |
Lu |
= |
96086 |
= 0,84. |
(14) |
|
Э |
113636 |
|||||||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
T |
|
|
|
|
Внутренний КПД турбины есть отношение затраченной работы к подведенной работе (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
|
|
Техника и технологии строительства, № 1(9), 2017 |
http://ttc.sibadi. |
НАЗЕМНЫЙ ТРАНСПОРТ
потери на вихреобразование и трение в каналах колеса. Потери энергии в колесе составляют
примерно 10% от работы газа на колесе турбины Lи.
15. Внутренний КПД турбины характеризует способность преобразовывать энергию ОГ в механическую работу
η |
B |
= |
0,9 Lи |
= |
0,9 96086 |
= 0,76. |
(15) |
|
Э |
113636 |
|||||||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
T |
|
|
|
|
16. Эффективный КПД турбины (полный) достигает 0,7 − 0,8 и определяется из выражения
ηТ =ηВ ηМ = 0,76 0,96 = 0,73, |
(16) |
где ηМ – механический КПД, учитывает потери энергии на трение в подшипниках скольжения,
равен 0,96 − 0,98.
17. Общий КПД турбокомпрессора достигает значения 0,5–0,6 и находится по формуле
ηоб =ηад ηТ = 0,8 0,73 = 0,58. |
(17) |
|
|
|
||
Более полная методика расчёта компрессора и турбины для ДВС дана в работах [4, 5]. |
|
|
|
|||
На рисунке 5 приведена схема регулирования турбины с поворотом лопаток соплового |
|
|
|
|||
аппарата. Длина плеч рычагов поворотного устройства L1 = L2 = L3 = 12 мм. При повороте |
|
|
|
|||
рычага L1 на 50, лопатки также повернутся на 50, увеличивая начальный угол установки лопаток |
|
|
|
|||
с 20 до 250. При этом изменится направление потока газа на лопатки, частота вращения и |
|
|
|
|||
мощность турбины. |
|
|
|
|
||
Расчеты выполнены для 6 точек при изменении хода штока 1 (рисунок 5) от 0 до 6 мм. |
|
|
|
|||
Например, при ходе штока 1,0 мм и длине рычага L1 =12 мм тангенс угла будет равен 1,0/12 = |
|
|
|
|||
0,08, что соответствует углу поворота лопаток на 50. Результаты расчета приведены в табл. 1. |
31 |
|
||||
Из анализа таб. 1 следует, что увеличение угла входа потока газа на лопатки колеса турбины |
|
|
|
|||
|
|
|
||||
уменьшает окружную скорость ССU |
|
, полезную работу на лопатках колеса турбины LU , частоту |
|
|
|
|
вращения колеса турбины nТ и |
|
компрессора nК , мощность турбины NТ. |
Автоматическое |
|
|
|
регулирование мощности турбины и частоты вращения колеса турбины и компрессора обеспечивается изменением направления газа на лопатки турбины (поворотом лопаток соплового аппарата).
Рисунок 5 – Схема регулирования турбины с поворотом лопаток соплового аппарата: 1 – шток камеры управления; 2 – регулируемый ограничитель (винт); 3 – рычаг управления;
4 – диск поворотный; 5 – рычаг поворота лопаток 6 соплового аппарата; 7 – корпус; 8 – лопатки колеса турбины
|
|
Техника и технологии строительства, № 1(9), 2017 |
http://ttc.sibadi. |
НАЗЕМНЫЙ ТРАНСПОРТ
Таблица 1 – Результаты расчёта турбины с поворотом лопаток соплового аппарата
Угол поворота лопаток |
|
|
|
|
|
|
|
|
соплового аппарата, (град) |
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
|
Ход штока, мм |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Угол входа потока газа на |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
|
лопатки, α1 в град |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
Cos α1 |
0,93 |
0,9 |
0,86 |
0,82 |
0,76 |
0,70 |
0,64 |
|
ССU = CС · Cos α1 |
329 |
318 |
304 |
290 |
269 |
248 |
226 |
|
Работа LU, Дж/кг |
96086 |
81100 |
72960 |
67180 |
57608 |
48045 |
40470 |
|
Частота вращения колеса |
120000 |
102000 |
91417 |
84175 |
72180 |
60200 |
40500 |
|
турбины и компрессора, мин-1 |
||||||||
Мощность турбины NТ, кВт |
15,3 |
12,9 |
11,6 |
10,7 |
9,2 |
7,7 |
6,5 |
Заключение
1. Рассмотрены устройство и принцип действия агрегата наддува с изменяемой геометрией соплового аппарата турбины.
2.Приведена методика расчета турбины и соплового аппарата с поворотом лопаток.
3.Представлены результаты расчета мощности и частоты вращения колеса турбины в зависимости от изменения угла входа газа на лопатки.
4.При изменении угла входа потока газа на лопатки от 20 до 50 градусов, мощность
турбины уменьшилась с 15,3 до 6,5 кВт, а частота вращения вала турбины и компрессора с
120 000 до 40 500 мин-1.
Научный руководитель доцент кафедры ТД и АТЭ Ю.П. Макушев
Библиографический список
1. Рындин, В.В. Теплотехника : монография / В.В. Рындин. – Павлодар : Кереку, 2007. – 460 с.
2. Макушев, Ю.П. Агрегаты наддува двигателей : учебное пособие / Ю.П. Макушев, С.В. Корнеев, В.В. 32 Рындин. – Омск : Изд-во СибАДИ, 2006. – 58 с.
3.Хак, Г. Турбодвигатели и компрессоры / Г. Хак : справочное пособие.– М. : ООО Издательство
«Астрель – АСТ», 2003. – 351 с.
4.Макушев, Ю.П. Агрегаты наддува двигателей : методические указания к лабораторным и практическим работам по курсу «Агрегаты наддува двигателей» профиля подготовки «Двигатели внутреннего сгорания» / сост. : Ю.П. Макушев, В.В. Рындин, Д.В. Худяков. – Омск : СибАДИ, 2013. – 84 с.
5.Федюшин, В.Г. Турбокомпрессоры : методические указания к выполнению проекта по курсу "Вентиляторы, компрессоры и газовые турбины". – М. : Типография МВТУ, 1984. – 24 с.
6.Зарянкин, А.Е. Радиально-осевые турбины малой мощности / А.Е. Зарянкин, А.Н. Шерстюк. – М. : гос. научно-техн. изд-во машин. лит. , 1963. – 248 с.
7.Лашко, В.А. Проектирование проточных частей центростремительной турбины двигателей внутреннего сгорания : учебное пособие / В.А. Лашко. – Хабаровск : Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2000. – 135 с.
8.Савельев, Г.М. Проектирование турбокомпрессоров : пособие по курсовому и дипломному проектированию / Г.М. Савельев, Б.С. Стефановский. – Ярославль, 1977. – 90 с.
THE CALCULATION OF THE TURBINE BLADES ROTATION NOZZLE
E. A. Komunistov
Abstract. We are shows a diagram of the supercharging of the internal combustion engine. For automatic control of air pressure at the out of the centrifugal compressor is proposed radial-axial turbine with variable geometry. We are considers construction and principle of operation of the turbocharging unit with the rotation of the blades nozzle turbine. Given the method of calculation of the turbine with variable geometry nozzle. We are shows the results of calculation of the main parameters of the turbine depending on the inlet angle of the gas turbine blade.
Keywords: turbocharging unit, compressor, turbine, nozzle unit, the blades.
Макушев Юрий Петрович. Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет
(СибАДИ), кафедра «Тепловые двигатели и автотракторное электрооборудование», канд. техн. наук, |
|
Техника и технологии строительства, № 1(9), 2017 |
http://ttc.sibadi. |
НАЗЕМНЫЙ ТРАНСПОРТ
доцент. 644 080, г. Омск, Проспект Мира, 5. Телефон 60 80 28. makusev321@mail.ru.
Компанистов Евгений Андреевич, студент СибАДИ, группы ДВСб13-А1.
Makushev Yuri Petrovich. 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. makusev321@mail.ru .
Kompanistov Evgeny Andreevich, student of SibADI, group ДВСб13-A1. Phone 60 80 28.
References
1.Ryndin, V.V. Heat engineering: monograph / V.V. Ryndin. - Pavlodar: Kereku, 2007. - 460 p.
2.Makushev, Yu.P. Units of supercharging engines: a manual / Yu.P. Makushev, S.V. Korneev, V.V. Ryndin.
-Omsk: Publishing House of SibADI, 2006. - 58 p.
3.Hak, G. Turbodvigateli and compressors / G. Hak: reference manual .- M.: OOO Publishing house AstrelAST, 2003. - 351 p.
4.Makushev, Yu.P. Units of pressurization of engines: methodical instructions to laboratory and practical work on the course "Engine supercharging units" of the training profile "Engines of internal combustion" / comp. : Yu.P. Makushev, V.V. Ryndin, D.V. Khudyakov. - Omsk: SibADI, 2013. - 84 p.
5.Fedyushin, V.G. Turbocompressors: methodical instructions for the implementation of the project at the course "Fans, compressors and gas turbines". - M.: Printing house of MVTU, 1984. - 24 p.
6.Zaryankin, A.E. Radial-axial turbines of low power / A.E. Zaryankin, A.N. Sherstyuk. - M.: state. Scientific and technical. Publishing of cars. Lit. , 1963. - 248 p.
7.Lashko, V.A. Designing of flowing parts of the centripetal turbine of internal combustion engines: textbook / V.А. Lashko. - Khabarovsk: Publishing house Khabar. State. Tech. University, 2000. - 135 p.
8.Savelyev, G.M. Designing of turbochargers: allowance for course and diploma projecting / G.M. Saveliev, B.S. Stefanovsky. - Yaroslavl, 1977. - 90 p.
33
УДК 629.3.014
ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ БЕЗОПАСНОСТЬ АВТОМОБИЛЕЙ
В.А. Лисин
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ), Россия, г. Омск
Аннотация. В данной статье рассмотрены вопросы влияния различных нарушений в эксплуатации автомобилей на элементы, отвечающие за экологическую безопасность автомобилей, приведены примеры и раскрыты механизмы этого влияния. Определены основные неисправности датчиков концентрации кислорода, каталитических газовых нейтрализаторов, также обозначены основные причины возникновения этих неисправностей. Даны рекомендации по сохранению этих элементов в исправном состоянии.
Kлючевые слова: экологическая безопасность, токсичность отработавших газов, нейтрализатор, выбросы, правила эксплуатации.
Введение
В настоящее время экологическая безопасность автомобиля является одним из важнейших его эксплуатационных свойств. Главной составляющей, характеризующей экологичность автомобиля, справедливо считается количество различных вредных веществ в отработавших газах двигателей. И современные нормы накладывают все более жесткие ограничения на этот показатель, а производители автомобилей ищут новые способы снижения токсичности и количества отработавших газов, выбрасываемых в атмосферу в процессе эксплуатации.
|
|
Техника и технологии строительства, № 1(9), 2017 |
http://ttc.sibadi. |
НАЗЕМНЫЙ ТРАНСПОРТ
Наиболее распространенным и доступным способом снижения количества выбросов вредных веществ с отработавшими газами является применение трехкомпонентной системы нейтрализации [1]. Эта система преобразует основные вредные компоненты отработавших газов (СО, СН и NOx) в безвредные вещества (вода, СО2, N2). Основные элементы этой системы – трехкомпонентный каталитический нейтрализатор и датчики концентрации кислорода (λ-зонды), располагающиеся до и после нейтрализатора [2]. Эти элементы являются довольно сложными и дорогостоящими изделиями, при изготовлении которых используются редкоземельные и драгоценные металлы (платина, цирконий, титан и т.д.). При этом условия работы системы нейтрализации довольно жесткие – рабочая температура 600-700°С, место расположения – под днищем автомобиля (постоянное воздействие грязи, воды, механическое воздействие) [4,5].
Максимальная эффективность системы нейтрализации (в среднем 90-95%) достигается только при поддержании состава топливовоздушной смеси в довольно узком диапазоне (0,98<λ<1,02), что накладывает жесткие требования к стабильности работы систем топливоподачи и зажигания [2]. Не смотря на то, что за работу этих систем в современных автомобилях отвечает электронный блок управления со сложными программами управления и мощным процессором, во многих случаях возникновения отклонений в работе элементов системы управления двигателем блок не в силах компенсировать эти отклонения, что приводит к нарушениям стабильности работы двигателем. Это резко снижает экологическую безопасность автомобиля [3].
Факторы снижения экологичности и их последствия
Опыт эксплуатации и наблюдения за автомобилями в условиях г. Омска позволил выделить основные негативные факторы, снижающие экологичность автомобиля и их последствия:
1.Низкое качество топлива.
К сожалению, во многих случаях, в используемом топливе часто присутствуют примеси, которые при сгорании топливовоздушной смеси оседают на чувствительном элементе λ-зонда, а также на активной поверхности керамических сот нейтрализатора, резко снижая эффективность его работы. Это различные смолы, продукты окисления топлива,
антидетонационные присадки (соединения марганца, железа) и т.д. Также большое значение 34 имеет фракционный состав топлива, влияющий на полноту сгорания топливовоздушной смеси
(рис. 1).
а) |
б) |
|
Рисунок 1 – Примеры загрязнения λ-зонда (а) и основы нейтрализатора (б) продуктами неполного сгорания топлива
2.Нарушения в системе топливоподачи.
В процессе эксплуатации постепенно изменяются показания датчиков системы управления (например, датчика массового расхода воздуха или датчика абсолютного давления воздуха). И это неизбежно. Такие изменения в показаниях датчиков приводят к нарушениям в расчетах блоком управления необходимой топливоподачи (рис. 2). А это влечет за собой не только увеличение расхода топлива, но и значительное повышение токсичности отработавших газов, так как эффективность системы нейтрализации при отклонении состава смеси от оптимального
|
|
Техника и технологии строительства, № 1(9), 2017 |
http://ttc.sibadi. |