Проектирование центробежного компрессора ТКР8, 5

Аннотация.docx

Сапрыкин К.А. Газодинамический расчет центробежного компрессора. Курсовой проект по агрегатам наддува двигателей. - Челябинск: ЮУрГУ АТ - 441 2012. - 35 страниц библиография литературы – 7 наименования. 8 листов чертежей ф. А4.
В курсовой работе проведены газодинамический расчет проточной части центробежного компрессора по среднему диаметру и профилирование ее элементов.

агрегаты.doc

Газодинамический расчёт компрессора 5
1 Исходные данные для расчёта5
2 Основные показатели компрессора5
3 Параметры воздушного потока на входе в рабочее колесо5
4 Геометрические параметры рабочего колеса7
5 Кинематика потока на входе в колесо8
6 Параметры воздушного потока на выходе из колеса9
7 Расчет щелевого диффузора12
8 Расчет лопаточного диффузора 14
9 Расчет параметров на выходе из компрессора17
Профилирование колеса компрессора20
1. Профилирование лопатки ВНА20
2. Профилирование лопатки ВНА методом лемнискаты22
3. Профиль канала ВНА23
4 Профилирование меридионального сечения рабочего колеса24
Профилирование лопаточного диффузора 28
1 Построение лопаток диффузора очерченных дугой окружности 28
2 Построение лопаток диффузора с помощью аэродинамических профилей29
Профилирование воздухосборника32
Список литературы 34
Повышение производительности тракторов и автомобилей определяется их энерговооруженностью. Поэтому одна из основных тенденций развития двигателестроения является повышение агрегатной мощности при этом повышение мощности не должно сопровождаться существенным увеличением габаритов и массы двигателя. Решение данной задачи достигается применением наддува двигателя т.е. увеличение массового заряда воздуха путем повышения давления создаваемого специальным компрессором при одновременном увеличение подачи топлива. Этот путь повышения мощности наиболее целесообразно осуществлять при условии привода компрессора от газовой турбины работающей на энергии отработанных газов.
Совершенствование дизелей в направление увеличения агрегатной мощности и улучшения его технико-экономических показателей методом газотурбинного наддува является наиболее характерной тенденцией дизелестроения последнего времени.
В настоящее время применение газотурбинного наддува позволяет повысить мощность автомобильных и тракторных двигателей на 50-120%.
Сочетание поршневого двигателя и турбокомпрессора открывает возможности получения необходимых характеристик силовой установки. Чтобы применение газотурбинного наддува позволило решить поставленные задачи турбокомпрессор должен иметь благоприятные для двигателя характеристики и высокий КПД.
Газодинамический расчёт компрессора.
1. Исходные данные для расчёта
)Давление окружающей среды МПа
)Температура окружающего воздуха К
)Степень повышения давления
2. Основные показатели компрессора
Адиабатическая работа сжатия в компрессоре
где - температура на входе в компрессор;
- скорость потока в сечении а-а.
На основании опытных данных выбирается коэффициент адиабатического напора.
Выбирается в зависимости от мм тогда
Потребная скорость вращения рабочего колеса компрессора
3. Параметры воздушного потока на входе в рабочее колесо
Проверка на устойчивость движения потока в колесе компрессора
где - скорость потока в сечении 1-1.
Температура воздушного потока на входе в рабочее колесо компрессора
Потери на трение во впускном устройстве
где - коэффициент потерь энергии на трение во входном устройстве: - для осевого входа - для коленообразного.
Показатель политропы процесса происходящего во входном устройстве
Давление воздуха на входе в рабочее колесо
Плотность воздуха на входе в колесо
4. Геометрические параметры рабочего колеса
Диаметр колеса на входе
Диаметр втулки рабочего колеса
Диаметр рабочего колеса
где на основании статистических данных.
Средний диаметр на входе в колесо
Шаг лопаток на среднем диаметре колеса на входе
где - число лопаток на среднем диаметре колеса на входе
Коэффициент загромождения входа на среднем диаметре
где - толщина лопатки на среднем диаметре
На основании статистических данных
Окружная скорость на среднем диаметре входа
Угол входа потока на среднем диаметре
Угол установки лопаток ВНА на среднем диаметре
5. Кинематика потока на входе в колесо
Меридиональная скорость на входе в колесо
Относительная скорость на входе в колесо на среднем диаметре
Частота вращения рабочего колеса
Скорость звука в сечении 1 – 1
Окружная скорость колеса на диаметре
Относительная скорость на диаметре
Во избежание значительных потерь от скачков уплотнения необходимо иметь
6. Параметры воздушного потока на выходе из колеса
Коэффициент мощности рабочего колеса
Радиальная составляющая абсолютной скорости
Окружная составляющая абсолютной скорости
Угол направления потока на выходе из колеса
Потери энергии в рабочем колесе:
а) потери во вращающемся направляющем аппарате
где - коэффициент потерь энергии на трение в ВНА
б) потери энергии на поворот потока и трение в межлопаточных каналах
где - коэффициент потерь энергии на поворот потока и трение в межлопаточных каналах
в) потери энергии на трение диска о воздух
где - коэффициент потерь энергии на трение диска о воздух
Суммарные потери в колесе
Температура за рабочим колесом с учётом теплообмена
Показатель политропы процесса происходящего в колесе
Давление воздуха за колесом
Абсолютная скорость потока на выходе из колеса
Относительная скорость на выходе из колеса на среднем диаметре
Шаг лопаток на выходе из колеса
Коэффициент загромождения выхода из рабочего колеса
где - толщина лопатки на диаметре
Толщина лопаток по статистическим данным находится в пределах 1 15 мм
Ширина колеса на выходе
Отношение обычно составляет 004 007.
Адиабатический КПД по полному напору
- адиабатная работа в каналах колеса:
Число Маха на выходе из колеса
7 Расчет щелевого диффузора
Ширина безлопаточного диффузора на выходе принимается по статистическим данным.
Наружный диаметр щелевого диффузора выбирают по следующим рекомендациям:
если в компрессоре применяется только щелевой диффузор;
. в случае применения щелевого и лопаточного диффузора.
Определим в первом приближении плотность на выходе из диффузора приняв показатель политропы при
Радиальная составляющая и полная скорость потока на выходе из диффузора:
Температура на выходе из диффузора:
Работа трения в диффузоре ();
- коэффициент потерь на трение
Найдем показатель политропы в диффузоре:
Проверим плотность воздуха на выходе из диффузора
Определяем адиабатический КПД щелевого диффузора
8 Расчет лопаточного диффузора
Угол направления потока на выходе из диффузора:
Наружный диаметр диффузора:
Число лопаток ZД=19 при этом во избежание усиления пульсаций воздушного потока не рекомендуется выбирать число лопаток диффузора кратным числу лопаток колеса.
Шаг лопаток на входе в диффузор:
Шаг лопаток на выходе из диффузора:
Коэффициент загромождения на входе в лопаточный диффузор:
где - толщина лопатки лопаточного диффузора; по статистическим данным
Коэффициент загромождения канала на выходе из лопаточного жиффузора:
Степень расширения диффузора:
Угол расширения эквивалентного диффузора:
Угол расширения эквивалентного диффузора должен быть 80 ..100.
Коэффициент потерь на трение в диффузоре определяем:
где: - коэффициент потерь на трение.
- коэффициент потерь на расширение.
Коэффициент потерь на расширение:
Коэффициент потерь на трение:
где: - выходное сечение диффузорного канала
- коэффициент сопротивления течения в трубе.
Показатель политропы сжатия в диффузоре:
Отношение плотностей для диффузора:
или по уравнению неразрывности:
Задавшись отношением скоростей примерно в пределах 025 045 решаем систему графически. точка пресечения двух кривых позволяет определить
Скорость на выходе из диффузора:
Уточняем показатель политропы по полученному значению А.
Температура и давление воздуха на выходе из диффузора:
Определяем число Маха:
Адиабатический КПД диффузора:
9 Расчет параметров на выходе из компрессора.
Скорость потока на выходе из улиточного канала воздухосборника мс Находим температуру воздуха:
Потери энергии в улиточном канале:
где - угол начального участка (языка) улитки (рад)
- коэффициент потерь на трение =00075
Определяем показатель политропы в воздухосборнике:
Давление и плотность воздуха на выходе из компрессора:
Определяем степень повышения давления:
Адиабатическая работа по действительному :
Погрешность расчета: 01%
Коэффициент полезного действия компрессора:
Мощность потребляемая на привод компрессора:
Профилирование колеса компрессора
Профилирование канала колеса компрессора направлено на обеспечение на расчётном режиме минимальных потерь обеспечение прочности лопаток колеса.
Толщина лопатки ВНА выбирается по статическим данным:
- на диаметре : на входе в ВНА мм на выходе мм;
- на диаметре : на входе мм на выходе из ВНА мм.
Выбираем мм; мм; мм; мм.
Толщина лопатки берётся в месте перехода от лопатки к телу диска колеса. Изменение толщины лопатки между диаметрами и имеет линейный характер.
Толщина лопатки в выходном сечении колеса на диаметре мм. Характер изменения толщины лопатки между диаметрами и линейный.
В меридиональном сечении колеса ширина проточной части мм а ширина ВНА мм.
1. Профилирование лопатки ВНА.
Входные кромки лопаток изогнуты по направлению относительной скорости на входе в колесо.
Угол изгиба лопатки на среднем радиусе входа
где - угол направления потока на среднем радиусе входа;
При осевом входе потока конструктивный угол лопатки определяется по закону
Профиль лопатки ВНА строится по трём сечениям: на диаметрах и корневом сечении которое выбирается на 2 3 мм больше диаметра .
Профиль лопатки вращающегося направляющего аппарата описывается дугой параболы или лемнискаты.
2. Профилирование лопатки ВНА методом лемнискаты
Уравнение лемнискаты
где - коэффициент деформации лемнискаты для обеспечения угла
- полярный угол лемнискаты.
Входная кромка лопатки описывается радиусом мм (98)
К окружности радиуса проводим касательную под углом к фронту решётки (ось ) и касательную под углом
Точки и должны принадлежать соответственно выпуклой и вогнутой поверхности профиля лопатки. Точка является началом прямоугольной системы координат в которой определяются координаты лемнискаты выпуклой поверхности.
В точках и должен быть плавный переход от профиля ВНА к радиальной части лопатки. Толщина лопатки в цилиндрическом сечении на диаметре у диска колеса мм.
Угол наклона касательной к лемнискате в точке
Полярный угол лемнискаты
Параметр лемнискаты для выпуклой поверхности лопатки
Координаты выпуклой поверхности лемнискаты
Координаты выпуклой поверхности профиля лопатки в системе координат колеса ( ) рис. 2.
Лемниската “” описывает вогнутую поверхность лопатки начало её координат находится в точке через которую проводится касательная к окружности входной кромки лопатки под углом .
Коэффициент деформации лемнискаты
Угол наклона касательной в точке
Координаты лемнискаты “”
Координаты вогнутой поверхности профиля лопатки в системе координат колеса ( ).
Толщина лопатки на выходе из ВНА
профиль лопатки ВНА на диаметрах показан на рисунках 1;2;3. Таблицы для построения приведены в приложении I
Рисунок 1 – Профиль сечения лопатки ВНА
3. Профиль канала ВНА
Для построения канала ВНА определяем шаг расположения лопаток по диаметрам и расчётному корневому диаметру
и строим соседнюю лопатку.
Канал ВНА – диффузор а потому находим угол раскрытия канала. Для этого вписываем в полученный канал ряд окружностей определяем графически длину средней линии канала и строим канал с выпрямленной осью рис 2.
Во избежание резкого увеличения потерь от срыва потока угол раскрытия канала не должен превышать .
Рисунок 2 – Канал ВНА
4 Профилирование меридионального сечения рабочего колеса
Профиль меридионального сечения рабочего колеса с радиальными лопатами можно построить упрощенным способом. Для этого строим среднюю линию меридионального сечения канала которая проходит через входной и выходной кромок лопатки рабочего колеса.
Граничные условия для определения средней линии
Этим граничным условиям удовлетворяет функция:
где – наружный радиус рабочего колеса. (мм)
– средний радиус на входе в колесо; ; (126)
В – осевая протяженность решетки рабочего колеса;
b2 – ширина канала на выходе из колеса;
- конструктивные углы на входе в колесо и выходе;
- углы между касательной к средней линии канала и осью на входе в колесо и выходе.
Используя данные уравнения рассчитываем и строим среднюю линию меридионального профиля колеса. Средняя линия делится на n сечений получаем координаты каждой точки: ; . Для каждой точки определяем ; ; .
Определяем длину нормали к средней линии канала в каждом сечении:
Плотность потока на среднем радиусе:
где ; - температура и плотность потока перед колесом на среднем радиусе.
- показатель политропы в рабочем колесе.
Температура потока на среднем радиусе рассчитываемого сечения:
где - относительная скорость потока на среднем радиусе перед колесом.
- окружная скорость на текущем среднем радиусе и среднем радиусе входа.
- относительная меридиональная скорость потока с учетом стеснения канала от толщины лопатки.
Величина на участке от ВНА определяется как проекция относительной скорости потока в криволинейном диффузоре ВНА на меридиональную плоскость:
где - угол наклона касательной к средней линии межлопаточного диффузорного канала ВНА в расчетной точке меридионального сечения.
Профиль описан дугой лемнискаты:
где ;- координаты лемнискаты в данной точке меридионального сечения.
Определяем относительную скорость потока в канале ВНА:
где - относительная скорость потока во входном сечении канала ВНА на среднем радиусе с учетом толщины входной кромки лопатки.
- размеры диффузора по нормали к средней линии на входе и в i сечении.
Для диффузора ВНА плотность воздуха в расчетном сечении определится:
Относительная меридиональная скорость температура и плотность на выходе из ВНА является исходным для расчета радиальной части колеса.
Закономерность изменения должна быть выбрана такой чтобы обеспечить в выходном сечении колеса равенство .
Для всех расчетных точек определяется длина нормали hi .
После этого определяем координаты внешнего и внутреннего контура меридионального сечения:
Расчет координат профиля меридионального сечения приведен в приложении I. Газодинамический расчет компрессора. Меридиональное сечение колеса показано на рисунке 3.
Pисунок 3 – Меридиональное сечение колеса.
Профилирование лопаточного диффузора
Средняя линия лопатки диффузора представляет собой обычно дугу окружности или параболы. Сам профиль лопатки часто постоянной толщины очерчивается одним радиусом. В других случаях для построения решетки лопаточного диффузора используются исходные аэродинамические профили характеристики которых известны из опытных данных.
1 Построение лопаток диффузора очерченных дугой окружности
Средняя линия лопатки очерчивается одним радиусом. При этом касательную к передней кромке средней линии направляют под углом а к выходной кромке – под углом (рисунок 4):
Радиус средней линии лопатки:
Радиус окружности на которой находятся центры радиусов описывающих среднюю линию лопатки:
Число лопаток диффузора zд и угол их расположения определяется при газодинамическом расчете компрессора. Разделим окружность радиуса Rл проведем сечение линии всех лопаток диффузора. Внешняя и внутренняя поверхности очерчиваются из тех же центров соответствующими радиусами:
где - толщина лопатки. Входные и выходные кромки лопатки определяются радиусом: .
Во избежание усиления пульсаций воздушного потока не рекомендуется число лопаток диффузора кратным числу лопаток колеса.
2 Построение лопаток диффузора с помощью аэродинамических профилей.
Для построения круговой решетки используются стандартные аэродинамические профили (таблица 4.2). Все линейные размеры их выбраны в относительных величинах в виде отношения к хорде b в процентах:
а) относительная абсцисса - ; (153)
б) относительная ордината верхней поверхности (спинки) - ; (154)
нижней поверхности (корыта) - ; (155)
в) относительная толщина профиля
Радиусы входной и кромки:
Решетка лопаточного диффузора составляется из изогнутых аэродинамических профилей. Изогнутые профили получены изгибом средней линии так называемых выходных профилей у которых средняя линия есть
прямая линия. Выбирается исходный профиль и закон изгиба средней линии. Средняя линия разбивается на участками аналогично разбивке хорды при этом длина средней линии равна длине хорды исходного профиля. Изгиб средней
лини производим по дуге окружности характерные геометрические параметры приведены выше.
Длина средней линии проектируемой лопатки диффузора:
где - центральный угол средней линии профиля (рисунок 4):
Рисунок 4 – Лопаточный диффузор.
Длина хорды нового профиля:
Расчет координат профиля
Геометрические характеристики профилей (в № от хорды)
Продолжение таблицы 4.2
Диффузор с профилируемыми лопатками показан на рисунке 7
Рисунок 5 – Диффузор с профилируемыми лопатками
Профилирование воздухосборника
Классической формой воздухосборника является сборная улитка. Улитка-это канал охватывающий по спирали диффузор по всему периметру. Рассмотрим улиточный канал с круглым поперечным сечением.
Расход воздуха в любом сечении канала определяется:
Обозначив радиус поперечного сечения - r найдем связь между хордой и радиусом:
Окончательно получим
Задавшись величиной определяем r для 10-15 сечений. Строим улиточный канал.
Расчет приведем в виде таблицы (таблица 5)
Воздухосборник показан на рисунке 6.
Рисунок 6 - Воздухосборник
1.Лазарев Е. А. Галичин В. Г. Лазарев Е. А. Компрессионные устройства агрегатов наддува поршневых ДВС – воздушные компрессоры: Учебное пособие - Челябинск: Изд. ЮУрГУ 2000. - 64 с.
Теория и расчет турбокомпрессоров Под ред. К. П. Селезнева. – Л.: Машиностроение; 1986 – 392 с.
Холщевников К. В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. – М.: Машиностроение
Галичин В. Г Агрегаты наддува ДВС: Учебное пособие для курсового проектирования. – Челябинск: ЧГТУ 1991-43 с.
Автомобильные двигатели с наддувом Н. С. Ханин Э. В. Аболтин Б. Ф. Лемцев и др. М.: Машиностроение – 1991.
Бойков Б. П. Турбокомпрессоры для наддува дизелей: Справочное пособие – Л.: Машиностроение 1985.
Брук М. А. Агрегаты наддува ДВС: Учебное пособие.- Л.:СЗЗПИ.

6. Лопаточный диффузор печать.cdw

7. Воздухосборник печать.cdw

5. Меридиональное сечение РК печать.cdw

3. Лопатка ВНА na d1.cdw

1. Лопатка ВНА на d0.cdw

4. Профиль канала ВНА печать.cdw

7. Воздухосборник.cdw

8. Схема центробежного компрессора.cdw

5. Меридиональное сечение РК.cdw

4. Профиль канала ВНА.cdw

2. Лопатка ВНА на dср.cdw

6. Лопаточный диффузор.cdw

Титульник.doc

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Южно-Уральский государственный университет»
(национальный исследовательский университет)
Факультет «Автотракторный»
Кафедра «Двигатели внутреннего сгорания»
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовой работе по дисциплине «Агрегаты наддува двигателей»
на тему «Газодинамический расчет центробежного компрессора по среднему диаметру и профилирование элементов проточной части»
АТ-441.00.00.00.00 ПЗ
Руководитель проекта:
студент группы АТ - 441