Характеристики компрессора, турбины и двигателя

При проектировании турбокомпрессора все элементы его проточных частей выполняют на основании параметров расчётного режима, для которого стараются обеспечить наибольшие значения КПД. Отклонение от условий расчетного режима вызывает изменение условий обтекания профи­лированных элементов проточной части турби­ны и компрессора, обычно имеющих фиксированные углы установки в обтекающих их потоках. Соот­ветственно изменятся потери и КПД турбоком­прессора. Это произойдет при изменении или расхода воздуха, или частоты вращения, или того и другого. Работая на одном двигателе, турбокомпрессор обеспечивает множество ра­бочих режимов, для которых характерно произ­вольное соотношение эксплуатационных парамет­ров. Поле возможных сочетаний этих основных параметров называется его характеристикой. Следует добавить, что один и тот же турбокомпрессор может использоваться для комплектации разных двигателей с близкими параметрами. При смене двигателя также произойдёт изменение параметров рабочего режима турбины и компрессора. Таким образом, для оценки работы турбокомпрессора при всех возможных условиях его применения необходимо располагать его характеристикой.

Работу компрессора характеризуют расход воздуха G, кг/с, степень повышения давления п_к, адиабатный КПД η_ад, частота вращения ро­тора n _тк, мин^-1. Взаимосвязь этих параметров, или характеристика компрессора, получается экспериментальным путем и может иметь вид, пред­ставленный на рис.15, на котором вместо абсо­лютных значений G, и n _тк нанесены связанные с ними безразмер­ные параметры:

,

где u ₂- окружная скорость на наружном диа­метре колеса компрессора.

Ниспадающие сплошные линии на этом рисунке отображают зависимость Пк = f (G,n _тк) при различных постоянных значениях частоты вращения ротора и обычно называются напорной состав­ляющей характеристики компрессора. Штри­ховые линии представляют собой линии пос­тоянных адиабатных КПД компрессора, их называют энергетической составляющей ха­рактеристики компрессора. Сплошная восходя­щая линия называется границей помпажа. Ле­вее этой линии нормальная работа компрессора невозможна из-за помпажа – сложного явления, связанного с возникновением вращающегося срыва потока воздуха на входе в колесо ком­прессора и срыва потока на лопатках лопаточ­ного диффузора. Возникновение срывных об­ластей на лопатках, имеющих фиксированное положение в проточных каналах, возникает при любом отклонении от расчетного режима ра­боты компрессора. На рис. 11 и 12 показаны вихревые области при работе компрессора на режимах, отличных от расчетного. При общности усло­вий возникновения срывов на уменьшенных и увеличенных расходах воздуха срыв при уве­личенном расходе локализуется и не имеет тен­денции к разрастанию. Срыв при уменьшенных расходах получает развитие, так как лопатки как бы уходят от вихревой области, "растягивая" ее. Через области, заполненные вихрями, про­исходит при помпаже периодический выброс воздуха в направлении, противоположном его нормальному движению. Помпаж сопровож­дается интенсивной пульсацией давления, ко­лебаниями расхода, вплоть до возникновения обратных течений через компрессор, вибрацией конструкции и шумом. При интенсивном помпаже возможно разрушение компрессора. Основным конструктивным параметром, выделяющим рассматриваемый турбокомпрессор для потребителя, является наружный диаметр рабочего колеса компрессора. По этому признаку он выделяется как отдельный типоразмер из типоразмерных рядов турбокомпрессоров, которые выпускаются различными производителями. Обычно для каждого типоразмера ТК под­готавливается несколько комплектов сменных проточных частей при неизменных конструкци­ях основных элементов корпуса. Соответствен­но получают ряд вариантов характеристик ком­прессора. Области таких характеристик как неоднозначные функции П_к = f (G) для турбокомпрессоров фирмы МБД (типоразмерного ряда турбокомпрессоров этой фирмы) представ­лены на рис.16. Эти области называются полями расходов или областями применимос­ти соответствующих ТК и служат для выбора типоразмера из типоразмерного ряда (ряда предлагаемых вариантов).

Рис.15. Универсальная характеристика высоко­напорного центробежного компрессора

Оценка параметров типоразмера производится с использованием характеристи­ки компрессора для конкретной конструкции проточной части, газодинамической характери­стики двигателя и характеристики газовой тур­бины (также для конкретной геометрии проточ­ной части).

Рис.16. Поля расходов (области применимости) ТК различных марок фирмы МБД

Газодинамическая характеристика двигате­ля представляет собой зависимость степени по­вышения давления воздуха в двигателе П_д от расхода воздуха; при совместной работе ДВС и ТК П_д = П_к. Характеристика двигателя может быть рассчитана аналитически или получена экспериментально.

На рис.17 газодинамическая характеристи­ка двигателя представлена линией 1. Она может за­нимать ряд положений в зависимости от того, какова взаимосвязь между частотой вращения коленчатого вала и мощностью двигателя (каков вид нагрузки двигателя), и от состояния газовоздушного тракта – степени его загрязнения. Для загрязненного тракта харак­теристика принимает более крутое положение.

Характеристика турбины, подобно характе­ристике компрессора, связывает КПД турбины с расходом газа и частотой вращения рото­ра, а также степенью расширения газа в турби­не. Она может иметь различный вид в зависимости от традиций фирм-разработчиков и пользователей. Один из возможных вариантов представлен на рис. 18. На этом рисунке

,

где L – действительная работа расширения газов в турбине, Дж/кг;

L _ад – адиабатная работа расширения газов в турбине, Дж/кг;

и – окружная скорость на наружном ди­аметре колеса турбины, м/с;

µ F _T– пропускная способность турбины, см²;

ρ_г – плотность газа за турбиной, кг/м³;

G _г – расход газа через турбину, кг/с;

– относительная рабо­та турбины;

η – адиабатный КПД турбины.

Рис. 17. Совмещение характеристик двигателя (1) и компрессора (2)

На установившемся рабочем режиме компрессор, турбина и двигатель находятся в условиях материального и энергетическо­го балансов. Это значит, что расход воздуха через двигатель равен расходу воздуха через компрессор (G ~ G _к), а расход газов через турбину G т больше на величину B _т расхода топлива (G т = G _к + B _т). Мощность турбины равна мощности компрессора, степень повышения давления в компрессоре П_к равна степени повышения давления в двигателе П_д.

Условия совместной работы двигателя и компрессора определяются точкой пересече­ния напорной характеристики компрессора и газодинамической характеристики двига­теля (см. рис. 17, точка А, называемой рабочей). Совмещенные характеристики двигате­ля и компрессора называются характеристикой системы наддува. Рабочая точка А должна быть достаточно удалена от границы помпажа во из­бежание попадания компрессора в помпаж в различных условиях эксплуатации. Степень удаленности этой точки оговаривается в нор­мативных документах как запас по помпажу.

,

где индекс "п" определяет значение величины на границе помпажа, а "р" - относится к значе­ниям параметров в расчетной рабочей точке А (см. рис.14).

Запас для судовых дизелей назначается не менее 15 %.

Чтобы установить параметры рабочей точ­ки, необходимо знать частоту вращения ротора ТК при его совместной работе с дизелем. Она может быть установлена из условия материаль­ного и энергетического балансов совместно ра­ботающих двигателя, турбины и компрессора. При определении параметров турбины и комп­рессора используются характеристики обеих турбомашин. Параметры газа, поступающего от двигателя, определяются на основании расчетов ра­бочего цикла двигателя. Общее решение задачи осуществляется итерационными методами, ког­да последовательно вычисляются и корректиру­ются параметры газа за двигателем, параметры газовой турбины и компрессора. Эти задачи ре­шаются при определении марки ТК, подборе для него соответствующих сменных проточных ча­стей и регулировке газораспределения в МОД.

Рис.18. Характеристика турбины