Согласование режимов работы и характеристика системы "турбокомпрессор - охладитель - эжектор" в дизеле с наддувом

На номинальном режиме работы дизеля с газотурбинным наддувом агрегаты наддува имеют наилучшие показатели эффективности и экономичности. При снижении температуры наддувоч ного воздуха (НВ) после компрессора в охладителе наддувочного воздуха (ОНВ) с использованием эжектора (рис. 1), важно знать изменение указанных показателей на частичных режимах [1, 2]. Для этого предварительно необходимо согласовать работу устройств, работающих совместно.

Рис. 1. Схема, элементы и параметры системы: 1 – дизель; 2 – ОНВ; 3 – воздушный фильтр и устройство измерения расхода воздуха; 4 – компрессор; 5 – турбина; 6 – выпускной трубопровод; 7 – трубопровод охлаждающего воздуха; 8 – эжектор

Расчет и конструирование

В рассматриваемой системе нагретый воздух после компрессора 4 направляется через ОНВ 2, где происходит теплообмен между НВ после компрессора и охлаждающим воздухом (ОВ), в цилиндр. Отработавшие газы (ОГ) на выходе из цилиндра проходят сначала через турбину 5, в которой срабатывается часть энергии. Затем они поступают в газовый эжектор 8, где поток ОГ, разгоняясь в сопле, передает часть кинетической энергии воздуху, прошедшему через ОНВ, увлекая его и тем самым создавая движение ОВ через ОНВ [3, 4].

Уравнения и результаты расчета параметров турбокомпрессора ОНВ

Для расчета такой системы необходимо задать либо параметры ОГ перед турбиной, а именно давление р т и температуру Т т , либо параметры НВ перед впускными клапанами: давление р к и температуру Т к . Однако в силу некоторого несовершенства модели, используемой для расчета рабочего цикла двигателя, а именно отсутствия аналитической зависимости для р т и Т т , разумнее оказывается задаться именно этими параметрами, так как р к и Т к находятся из расчета компрессора. Эти данные могут быть взяты, например, с внешней скоростной характеристики (ВСХ) двигателя, где зависимости р т и Т т являются аппроксимированными (рис. 2).

Рис. 2. Изменение показателей дизеля и параметров ОГ по внешней скоростной характеристике

Для определения коэффициента эжекции u и, следовательно, степени охлаждения Δ T на частичном режиме работы дизеля, необходимо знать давление р р и температуру Т р ОГ на входе в эжектор, а также давление р н и температуру Т н охлаждающего воздуха после ОНВ. Так как эжектор имеет газодинамическую связь с дизелем через турбину, то нахождение параметров ОГ на входе в него возможно после соответствующего расчета турбины и компрессора. Параметры охлаждающего воздуха р н и Т н находятся из расчета ОНВ.

При известных геометрических размерах турбины её расчет сводится к решению уравнения неразрывности, записанного для сечений на выходе из соплового аппарата (СА) и выходе из рабочего колеса (РК). Будучи записанным в газодинамических функциях, оно выглядит следующим образом [5, 6]:

F ea Ф p T q ( ^ 1 ) = F PK У P W l q ^(X w 2 ) a _г                a_{w 1}

где q (λ) – приведенная массовая скорость – газодинамическая функция, а г – критическая скорость по параметрам на входе в турбину, а_{w 1} – критическая скорость в относительном движении по параметрам торможения на входе в РК, p w 1 – полное давление в относительном движении на входе в РК, F са – площадь СА на выходе, F рк – площадь РК на выходе, φ – коэффициент скорости в СА, ψ – коэффициент скорости в РК.

Из уравнения (1) определяется приведенная скорость в относительном движении λ _{w 2}, а затем находятся: отношение давлений π рк в РК, статические давление р 2 и температура Т 2 , полные давление р р температура Т р , скорость с 2 на выходе из турбины, теплоперепад Н рк , срабатываемый в РК, а затем и степень реактивности турбины и другие параметры. Параметры турбины в функции частоты вращения коленчатого вала дизеля приведены на рис. 3.

По найденному значению р 2 определяется степень понижения давления π т в турбине, а затем степень повышения давления π к в компрессоре [7, 8]:

П k = 1 + вТ т

где β – параметр, характеризующий различие в составах НВ и ОГ,

τт – параметр, определяемый степенью нагрузки двигателя, kт – показатель адиабаты ОГ, k – показатель адиабаты воздуха.

Расход G в воздуха при расчете предварительно задается, а затем уточняется при расчете рабочего цикла:

G e =a L 0 G _T,                                                                         (3)

где α – коэффициент избытка воздуха,

L 0 – количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива,

G т – расход топлива.

Полученные параметры позволяют провести расчет компрессора на частичном режиме, уточнить его КПД η к , адиабатный напор ψ ад и найти параметры, необходимые для расчета ОНВ, а именно давление р к1 и температуру Т к1 после компрессора. Параметры компрессора в функции частоты вращения коленчатого вала дизеля приведены на рис. 4.

Так как геометрические размеры ОНВ известны из проектного расчета, то для его расчета на частичном режиме определяются средние скорости НВ и ОВ, числа Рейнольдса и Нуссельта, коэффициенты теплоотдачи и гидравлических потерь. Находятся степень охлаждения Δ Т , давление р к , температура Т к и плотность ρ к НВ после ОНВ [9, 10]. Параметры ОНВ в функции частоты вращения коленчатого вала дизеля приведены на рис. 5.

В ходе расчета определяются давление р н и температура Т н , необходимые для расчета эжектора [11, 12].

Расчет и конструирование

Рис. 4. Изменение параметров компрессора по внешней скоростной характеристике дизеля

Рис. 5. Изменение параметров ОНВ по внешней скоростной характеристике дизеля

Расчет параметров эжектора

Полученные после проведенных расчетов данные вместе с известными геометрическими размерами эжектора достаточны для расчета характеристики эжектора на частичном режиме. Параметры ОГ с параметрами ОВ в эжекторе связывает закон сохранения импульса [13–15]:

( G г w p2 + G H w H2 ) - ( G г + G н ) w 3 = ( Р з - Р н2 ) f р + ( Р з - P н2 ) ( f 3 - f р ) ,                          ⁽⁴⁾

где w р2 , w н2 – скорости рабочего и инжектируемого потоков на входе в камеру смешения;

w 3 , р 3 – скорость и давление смешанного потока на выходе из камеры смешения;

• р _р2, р _н2 – давления рабочего и инжектируемого потоков на входе в камеру смешения;

• f p , f 3 – площади поперечного сечения сопла и камеры смешения.

Решение уравнения (4) позволяет определить текущий коэффициент эжекции u на любом режиме работы дизеля и затем уточнить Δ Т и ρ к . Параметры эжектора в функции частоты вращения коленчатого вала дизеля приведены на рис. 6.

Данных, полученных после расчета параметров турбокомпрессора и ОНВ, достаточно для проектного расчета параметров эжектора [16, 17].

Рис. 6. Изменение параметров эжектора по внешней скоростной характеристике дизеля

700 900 1100 1300 1500 1700 1900 п. МИН'1

Рис. 7. Изменение геометрических параметров и коэффициентов эжекции u p , u и соответственно для реального и «идеального» эжекторов

В результате определены оптимальные геометрические размеры (диаметры сопла D р и камеры смешения D 3 ), соответствующие наибольшему коэффициенту эжекции для данного частичного режима (рис. 7).

При уменьшении частоты вращения коленчатого вала дизеля коэффицие н т эжекции реального эжектора возрастает [18, 19]. Максимально возмож н ый коэффициент эжекции может б ыть получен при регулировании (уменьшении) площади про х одного сопла и камеры смешени я эжектора [20, 21] с уменьшением частоты вращения коленчат о го вала дизеля.

Эти результаты подтверждаются и численным м о делированием, проведенным в п р ограммном пакете Flow Simulation SolidWorks (рис. 8).

Регулирование проточной части эжектора – изменение площадей сопла и камеры смешения на частичных режимах работы – приводит к увеличению коэффициента эжекции.

Выводы

Совместная работа системы, состоящей из охладителя, турбокомпрессор а и эжектора требует согласования их рабочих параметров и характеристик.

Для достижения необходимой степени охлаждения Δ Т = 70 градусов нео б ходимо обеспечить коэффициент эжекции u = 3,47, что соответствует расходу охлаждающего воз д уха G н = 1,04 кг/с.