Расчет центробежного турбокомпрессора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет турбокомпрессора. Расчет центробежного компрессора

центробежный компрессор канал

Расход воздуха через компрессор

,

где (кг возд.)/(кг топл.) - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива.

Тогда:

кг/с.

Требуемая степень повышения давления:

.

Объемный расход воздуха через компрессор:

,

где кДж/(кг К) - газовая постоянная воздуха.

Тогда: кг/м³

Давление заторможенного потока на входе во входное устройство:

,

где - сопротивление воздушного фильтра, примем МПа.

МПа.

Температура заторможенного потока на входе: К.

Скорость потока на входе принимаем: м/с.

Температура воздуха на входе:

К.

Определим давление и плотность воздуха на входе в компрессор:

МПа;

кг/м³.

Площадь входного сечения входного патрубка:

м².

Диаметр: мм.

Принимаем мм.

Площадь выходного сечения:

мм.

Скорость воздуха на входе в рабочее колесо:

,

где - плотность воздуха на входе в рабочее колесо. Она нам неизвестна, поэтому в первом приближении примем кг/м³.

м/с.

Температура на входе в рабочее колесо:

К.

Потери во входном патрубке:

Дж/кг,

где - коэффициент потерь входного патрубка.

Показатель политропы воздуха во входном патрубке:

.

Давление на входе в колесо:

МПа.

Плотность воздуха:

кг/м³.

Определим процент ошибки при допущении :

- ошибка недопустимая.

Так как ошибка превышает 3% нужно повторить расчет с п.1.1.11 с новыми значениями кг/м³.

м/с.

К.

Дж/кг,

.

 МПа.

кг/м³.

- ошибка допустимая.

Уточненные параметры: м/с; К; МПа; кг/м³.

Адиабатная работа сжатия в компрессоре:

кДж/кг.

Определим окружную скорость колеса на наружном диаметре:

м/с,

где - напорный КПД, зависящий в основном от диаметра колеса . Для выбранного турбокомпрессора ТКР - 18 с лопаточным диффузором мм, примем .

Коэффициент расхода компрессора:

.

Основные размеры колеса:

- Диаметр втулки:

 мм;

- Диаметр колеса на входе:

мм;

- Средний диаметр на входе в колесо:

мм;

- Число лопаток:

, принимаем .

Частота вращения турбокомпрессора:

мин^-1.

Примем движение потока во входном патрубке осевым, то есть .Меридиональная скорость на входе в колесо:

м/с,

где - коэффициент загромождения на входе. Без предварительной закрутки потока .

Окружная скорость на среднем диаметре:

м/с.

Угол входа потока на среднем диаметре:

.

Угол установки лопаток:

,

где - угол атаки.

Относительная скорость входа потока:

м/с.

Число Маха на диаметре в относительном движении

,

где м/с.

Потери на входе в колесо:

Дж/кг,

где - коэффициент потерь.

Потери на поворот потока и трение в межлопаточных канал рабочего колеса:

Дж/кг,

где - коэффициент потерь;

м/с - радиальная составляющая абсолютной скорости на выходе из колеса.

Потери на трение диска колеса о воздух и вентиляцию:

Дж/кг,

где - коэффициент дисковых потерь.

Коэффициент уменьшения теоретического напора:

Температура воздуха за колесом:

Показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре:

.

Давление на выходе из колеса:

МПа

Плотность воздуха:

кг/м³.

Окружная составляющая абсолютной скорости на выходе:

м/с.

Абсолютная скорость на выходе из колеса:

м/с.

Окружная составляющая относительной скорости на выходе:

м/с.

Относительная скорость на выходе из колеса:

 м/с.

Угол выхода потока из колеса в относительном движении:

.

Угол выхода потока из колеса в абсолютном движении:

.

Ширина колеса на выходе:

мм,

где - коэффициент загромождения на выходе, учитывающий толщину лопаток.

Температура заторможенного потока на выходе:

К.

Геометрические размеры диффузора:

В компрессоре ТКР-18 используется безлопаточный диффузор. Исходя из этого, определим параметры диффузора:

мм;

 мм.

Абсолютная скорость на выходе из безлопаточной части диффузора в первом приближении:

м/с.

Показатель политропы сжатия:

,

где - КПД безлопаточного диффузора.

Температура на выходе из безлопаточной части:

К.

Давление на выходе из безлопаточной части:

МПа.

Плотность воздуха:

кг/м³.

Уточненное значение скорости:

м/с.

Процент ошибки: - неприемлемая погрешность. Проведем расчет с п. 1.1.46, приняв .

Уточненные значения второго приближения: К; МПа; кг/м³;

м/с;

Процент ошибки: - неприемлемая погрешность. Проведем расчет с п. 1.1.46, приняв =289 м/с.

Уточненные значения третьего приближения: К;

МПа; кг/м³;

м/с;

Скорость на выходе из улитки:

м/с.

Показатель политропы сжатия:

.

Температура на выходе:

К.

Давление на выходе:

МПа.

Плотность воздуха:

кг/м³.

Площадь сечения выхода из улитки:

м².

Действительная степень повышения давления:

.

Действительная адиабатная работа сжатия



кДж/кг.

Напорный КПД:

Процент ошибки при выборе напорного КПД:

Адиабатный КПД компрессора:

.

Мощность, затрачиваемая на привод компрессора:

кВт.

Расчет турбины

Из теплового расчета и расчета компрессора известны следующие параметры:

- частота вращения ротора турбокомпрессора. об/мин;

- адиабатная работа сжатия в компрессоре кДж/кг;

- расход воздуха через компрессор кг/с;

- КПД компрессора ;

- диаметр колеса компрессора. м.

. Коэффициент молекулярного изменения выпускных газов с учетом коэффициента продувки :

,

где - количество продуктов сгорания при ; кмоль/кг;

- теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива; кмоль/кг.

Молекулярная масса газа перед турбиной:

кг/кмоль,

где - молекулярная масса воздуха; кг/кмоль.

Газовая постоянная выпускных газов перед турбиной

кДж/кг·К.

Температуру газов перед турбиной зададим К.

Теплоемкость « чистых « продуктов сгорания:

;

избыточного воздуха в выпускных газах:

;

выпускных газов:

.

Расход газа через турбину:

кДж/кг.

Требуемая адиабатная работа турбины:

кДж/кг.

где - КПД турбины.

Давление газа перед турбиной:

МПа,

где - давление за турбиной;

 - показатель адиабаты выпускных газов, равный:

.

Выбираем степень реактивности рабочего колеса .

Скорость газа на выходе из соплового аппарата:

м/с,

где - скоростной коэффициент, учитывающий потери в сопловом аппарате.

Давление газа на входе в колесо:

МПа.

Температура газа на входе в колесо:

?К.

Число Маха на Выходе из соплового аппарата:

.

Плотность газа на выходе из соплового аппарата:

кг/м³.

- Диаметр колеса турбины принимаем равным диаметру колеса компрессора: мм.

- Входной диаметр соплового аппарата:мм.

- Выходной диаметр соплового аппарата: мм.

- Втулочный диаметр колеса: мм.

- Наружный диаметр колеса турбины на выходе: мм.

- Угол выхода потока из соплового аппарата: ⁰

Высота лопатки на входе в колесо:

м.

Радиальная составляющая абсолютной скорости перед рабочим колесом:

м/с.

Окружная составляющая абсолютной скорости:

м/с.

Окружная скорость рабочего колеса:

м/с.

Адиабатная скорость истечения:

м/с.

Угол выхода потока из соплового аппарата:

⁰.

Шаг лопаток на выходе из соплового аппарата:

мм,

где - число сопловых лопаток; примем .

Ширина горловины сопловых лопаток:

мм.

Относительная скорость газа на входе в колесо:

м/с.

Адиабатная работа расширения газа в рабочем колесе:

кДж/кг.

Относительная скорость на выходе из рабочего колеса:

,

где - коэффициент скорости, учитывающий потери в рабочем колесе; примем =0,9;

м;

.

м/с.

Окружная скорость на среднем диаметре:

м/с.

Температура газа на входе в рабочее колесо:

К.

Температура газа на выходе из рабочего колеса:

;

 ?К.

Число маха в относительном движении:

.

Плотность газа на выходе из колеса:

кг/м³.

Площадь сечения на выходе из рабочего колеса:

м².

Угол выхода потока из рабочего колеса в относительном движении

.

Высота лопатки на выходе из рабочего колеса:

м.

Радиальный зазор принимаем мм.

Утечки газа по радиальному зазору:

кг/с.

Уточненная величина угла выхода потока:

.

Окружная и осевая составляющие абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса:

м/с;

м/с.

Абсолютная скорость на выходе:

м/с.

Угол выхода потока в осевом движении:

.

Шаг лопаток на выходе из рабочего колеса на среднем диаметре:

м,

где - число рабочих лопаток; примем .

Ширина канала в узкой части:

м.

Работа газа на окружности колеса:

Дж/кг.

Окружной КПД турбины:

.

Потери в сопловом аппарате:

Дж/кг.

Потери в рабочем колесе:

Дж/кг.

Потери с выходной скоростью:

Дж/кг.

Адиабатный КПД турбины:

.

Потери энергии от утечек газа:

Дж/кг.

Мощность трения диска и вентиляции:

,

где - коэффициент; примем ;

кВт,

кг/м³.

Потери на трение и вентиляцию:

Дж/кг.

Внутренний КПД турбины:

.

Эффективный КПД турбины:

,

где - механический КПД турбины; примем .

Процент ошибки: .

кВт.

Процент ошибки: .

Профилирование проточной части компрессора. Профилирование меридионального контура колеса

При проектировании колес центробежных компрессоров важно выбрать меридиональный профиль такой конфигурации, которая обеспечит оптимальный закон изменения скорости вдоль различных линий тока. Плавное изменение средней меридиональной проекции скорости обеспечивается выбором площадей проходных сечений. Оптимальным естественно считать распределение, обеспечивающее минимальные потери энергии в колесе.

Построение внешней границы канала

Построение обводов колеса удобно начинать с внешней границы канала в прямоугольной системе координат Х-Y. Ось Х проходит через крайние точки внешнего обвода. Для построения внешней границы канала часто принимают и используют следующую формулу:

,

где ;

.

Величина определяется из выражения:

мм.

Углы и выбирают из конструктивных соображений. Примем и . Если , то .

Общая ширина колеса определяется однозначно:

,

где ; ; ; .

Таблица. Результат расчета удобно представить в виде таблицы.

№	, мм			, мм
0	0	0	0	0
1	7,1	0,1	0,077	5,437962
2	14	0,2	0,145	10,28834
3	21	0,3	0,198	14,08549
4	28	0,4	0,232	16,49681
5	36	0,5	0,244	17,32276
6	43	0,6	0,232	16,49681
7	50	0,7	0,198	14,08549
8	57	0,8	0,145	10,28834
9	64	0,9	0,077	5,437962
10	71	1,0	0	0

Построение внутренней границы канала

Закон изменения площади проходного сечения канала предполагается известным. В первом приближении можно принять линейный закон:

.

Площадь можно выразить , где - диаметр вписанной в канал окружности, - удвоенное расстояние от оси до центра вписанной окружности.

Диаметр удобно выразить через диаметр , определяющий точку касания вписанной окружности и внешней границы канала:

,

причем угол .

Угол образован осью Х и касательной в средней линии канала и определяется из выражения:

.

Для рассматриваемого случая: .

Тогда диаметр вписанной окружности:

.

Таблица. Результат расчета представим в виде таблицы.

№		, мм2		, рад	, рад	, мм	, мм
0	0	7600	0,699746	0,610556	1,447889	56	29,12959
1	0,1	7196,9697	0,66056	0,583763	1,421097	56,5	26,36701
2	0,2	6765,1515	0,554199	0,506061	1,343395	57	23,69906
3	0,3	6390,9091	0,397456	0,378311	1,215645	57,5	21,44947
4	0,4	6045,4545	0,207125	0,204237	1,04157	59	18,94039
5	0,5	5700	0	0	0,837333	62	16,21444
6	0,6	5354,5455	-0,20712	-0,20424	0,633096	66	13,76838
7	0,7	5009,0909	-0,39746	-0,37831	0,459022	72	11,48392
8	0,8	4634,8485	-0,5542	-0,50606	0,331272	76,5	9,853906
9	0,9	4203,0303	-0,66056	-0,58376	0,25357	83	8,164252
10	1,0	3800	-0,69975	-0,61056	0,226778	90	6,780715

Профилирование входной части колеса компрессора

Во входной части колеса поток поворачивается на угол , который может быть весьма существенным, особенно на периферии входного сечения колеса.

Наибольшее распространение получило профилирование сечения лопаток по параболе, в частности, параболе 2-й степени.

Уравнение параболы в общем виде:

,

где и - соответственно осевая и окружная координаты кривой. Максимальная осевая протяженность параболы , где - толщина диска на среднем диаметре колеса. Тогда параметр параболы, если известен геометрический угол профиля лопатки на входе при :

.

В качестве геометрического угла профиля на входе принимают угол между касательной к средней линии профиля при и окружным направлением. Имея значение параметра , подсчитывают координаты точек цилиндрического сечения профиля и значения текущего угла :

, .

Толщину лопаток вдоль оси Х принимаем постоянной и равной мм.

Таблица. Результат расчета представим в виде таблицы

№	, мм		, мм
0	0	0	0
1	6,8	6,244757	0,054445671
2	13,6	3,122379	0,435565367
3	20,4	2,081586	1,470033115
4	27,2	1,561189	3,484522938
5	34	1,248951	6,805708864
6	40,8	1,040793	11,76026492
7	47,6	0,892108	18,67486512
8	54,4	0,780595	27,87618351
9	61,2	0,693862	39,69089409
10	68	0,624476	54,44567091

Профилирование проточной части турбины. Профилирование меридионального контура колеса. Построение внешней границы канала

Профилирование ведется по той же методике, что и колесо компрессора. Зададимся углами: ,.

Таблица

№	, мм			, мм
0	0	0	0	0
1	0,1	4,65	0,064	2,960477
2	0,2	9,3	0,12	11,20213
3	0,3	13,95	0,165	15,33654
4	0,4	18,6	0,193	17,96204
5	0,5	23,25	0,203	18,86135
6	0,6	27,9	0,193	17,96204
7	0,7	32,55	0,165	15,33654
8	0,8	37,2	0,12	11,20213
9	0,9	41,85	0,064	5,920954
10	1	46,5	0	0

Построение внутренней границы канала

Таблица. Результат расчета представим в виде таблицы.

№		, мм?		, рад	, рад	, мм	, мм
0	0	11800	0,648993	0,575667	1,343222	72	33,84796
1	0,1	11269,903	0,612649	0,549668	1,317224	71	32,45721
2	0,2	10821,359	0,514002	0,474786	1,242342	70,5	30,81718
3	0,3	10413,592	0,368628	0,353172	1,120728	70,5	28,82775
4	0,4	10046,602	0,192102	0,18979	0,957345	71	26,60916
5	0,5	9679,6117	0	0	0,767556	72,5	24,02365
6	0,6	9312,6214	-0,1921	-0,18979	0,577766	74,5	21,61768
7	0,7	8904,8544	-0,36863	-0,35317	0,414383	77,5	19,25996
8	0,8	8374,7573	-0,514	-0,47479	0,292769	81,5	16,86639
9	0,9	8048,5437	-0,61265	-0,54967	0,217887	85	15,37855
10	1,0	7600	-0,64899	-0,57567	0,191889	90	13,6438

Профилирование входной части колеса турбины

Таблица

№	, мм		, мм
1	8,3	5,769964	0,071924192
2	16,6	2,884982	0,575393538
3	24,9	1,923321	1,941953189
4	33,2	1,442491	4,603148301
5	41,5	1,153993	8,990524025
6	49,8	0,961661	15,53562551
7	58,1	0,824281	24,66999792
8	66,4	0,721246	36,82518641
9	74,7	0,641107	52,43273611
10	83	0,576996	71,9241922

Профилирование направляющего аппарата

Для профилирования лопаток направляющего аппарата воспользуемся значениями координат профилей МЭИ. Определения угла установки определяется графически. Возьмем профиль С-2Р.

Таблица

		, мм			, мм	, мм
36	0	0	0	0	0	0
	0,1	3,6	0,05	0,03	1,8	1,08
	0,2	7,2	0,09	0,05	3,24	1,8
	0,3	10,8	0,13	0,08	4,68	2,88
	0,4	14,4	0,17	0,1	6,12	3,6
	0,5	18	0,22	0,11	7,92	3,96
	0,6	21,6	0,26	0,12	9,36	4,32
	0,7	25,2	0,28	0,11	10,08	3,96
	0,8	28,8	0,28	0,07	10,08	2,52
	0,9	32,4	0,24	0,01	8,64	0,36
	1	36	0,06	0,06	2,16	2,16

Размещено на Allbest.ru

...