2120
.pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)»
Ю.П. Макушев
АГРЕГАТЫ НАДДУВА ДВИГАТЕЛЕЙ
Практикум
2-е издание, деривативное
+
Омск • 2019
УДК 621.515.5
ББК 31.363 М15
Согласно 436-ФЗ от 29.12.2010 «О защите детей от информации, причиняющей вред их здоровью и развитию» данная продукция маркировке не подлежит.
Рецензент
д-р техн. наук, проф. В.В. Шалай (ОмГТУ)
Работа утверждена редакционно-издательским советом СибАДИ в качестве практикума.
Макушев, Юрий Петрович.
М15 Агрегаты наддува двигателей [Электронный ресурс] : практикум / Ю.П.
Макушев. – Омск : СибАДИ, 2019. – URL: http://bek.sibadi.org/cgi-bin/ irbis64r_plus/cgiirbis_64_ft.exe. - Режим доступа: для авторизованных пользователей.
Приведены указания для выполнения практических и лабораторных работ по курсу «Агрегаты наддува двигателей». Дана методика расчета центробежного компрессора и центростремительной турбины, приведены программа расчета совместной работы турбокомпрессора и двигателя, методика расчета автоматических систем регулирования турбины с перепуском газа и поворотом лопаток соплового аппарата.
Описаны способы измерения давления, скорости, расхода газа, приведена схема стенда для испытания и диагностирования компрессора и турбины.
Имеет интерактивное оглавление в виде закладок.
Предназначен для бакалавров и магистров всех форм обучения направления подготовки «Энергетическое машиностроение» профиля «Двигатели внутреннего сгорания» и может быть полезен инженерам и аспирантам.
Подготовлен на кафедре «Тепловые двигатели и автотракторное электрооборудование».
Текстовое (символьное) издание (7,6 МБ)
Системные требования : Intel, 3,4 GHz ; 150 МБ ; Windows XP/Vista/7 ; DVD-ROM ;1 ГБ свободного места на жестком диске ;
программа для чтения pdf-файлов : Adobe Acrobat Reader ; Foxit Reader
Редактор И.Г. Кузнецова Техническая подготовка Н.В. Кенжалинова
Издание второе, деривативное. Дата подписания к использованию 22.02.2019 Издательско-полиграфический комплекс СибАДИ. 644080, г. Омск, пр. Мира, 5 РИО ИПК СибАДИ. 644080, г. Омск, ул. 2-я Поселковая, 1
© ФГБОУ ВО «СибАДИ», 2019
ВВЕДЕНИЕ
Эффективное использование рабочего объема двигателей внутреннего сгорания можно достичь путем увеличения плотности заряда, применяя наддув воздуха и увеличение подачи топлива.
Для повышения давления воздуха на впуске применяются объемные и центробежные компрессоры. Повышение давления в цилиндре поршневого компрессора происходит путем сближения молекул, что достигается уменьшением объема замкнутого пространства или преобразованием кинетической энергии в энергию давления в диффузорах центробежных компрессоров. Сжатие газа динамическим способом является основным принципом турбокомпрессорных машин. Турбокомпрессор (от лат. turbo – вихрь) – центробежный или осевой лопаточный компрессор для сжатия и подачи воздуха (газа). Характерная особенность этих машин – непрерывность процессов всасывания, сжатия и подачи газа.
Турбокомпрессор любого типа состоит из вращающегося лопаточного аппарата – рабочего колеса, в котором от внешнего источника (двигателя, турбины, электродвигателя) рабочему телу (газу) сообщается энергия. Неподвижные аппараты (диффузоры, спиральные камеры) предназначены для изменения величины и направления скорости потока и давления. Сжатие газа в каналах рабочего колеса происходит в результате силового воздействия лопаток на поток газа.
Практикум составлен в соответствии с программой курса «Агрегаты наддува двигателей» и включает в себя описание последовательности выполнения четырех лабораторных и трёх практических работ. В первой и во второй работах приведены методика экспериментального определения скорости, расхода, давлений газа и устройство стенда для испытания и диагностики турбокомпрессоров. В лабораторных и практических работах рассматриваются устройство, принцип действия и расчет центробежного компрессора, центростремительной турбины, испытание систем автоматического регулирования.
В результате выполнения лабораторных и практических работ студент приобретет навыки по определению скорости потока, расхода газа, расчета центробежного компрессора и центростремительной турбины, испытанию и диагностике турбокомпрессоров.
3
Лабораторная работа № 1
ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ, СКОРОСТИ И РАСХОДА ВОЗДУХА ПНЕВМОМЕТРИЧЕСКИМИ ТРУБКАМИ
1.1. Цели и задачи лабораторной работы
Цели лабораторной работы: формирование и закрепление знаний по разделу курса «Стенды для испытания турбокомпрессоров».
Задачи: изучить методику измерения давлений, скорости и расхода воздуха пневмометрическими трубками в воздуховоде.
Оборудование: установка для подачи воздуха, расходомер, трубки Пито–Прандтля.
1.2. Вводная часть
Среди применяющихся на практике различных методов определения скоростей и давлений наибольшее значение в экспериментальной аэродинамике имеет пневматический способ, основанный на измерении давления в определенных точках поверхности, внесённых в поток измерительных приборов. Такие приборы называются насадками или зондами. Теория пневмометрических трубок для измерения скоростей основана на использовании уравнения Бернулли [1].
Если в некоторой точке потока необходимо знать значение скорости, то в эту точку потока устанавливают продольно обтекаемую трубку (рис. 1.1). Нулевая линия в точке А образует так называемую критическую точку (точку заторможенного потока), в которой скорость потока равна нулю, а давление максимально. В последующих точках по поверхности трубки скорость будет расти и затем вновь падать (см. рис. 1.1), достигнув на некотором удалении от носика трубки скорости на бесконечности, т. е. скорости, которая была бы в этом месте при отсутствии трубки или скорости в невозмущённом потоке (практически на удалении трех диаметров трубы от мерной трубки – сечение 1-1).
Уравнение Бернулли при течении несжимаемого невязкого газа для двух сечений 1-1 и 0-0 нулевой линии тока (с0= 0) имеет вид
p1* p1 c12/2 p0* p0 c02/2 p0
4
или |
|
|
|
|
p* p |
c2/2 p pдин |
const . |
|
(1.1) |
|
|
Согласно уравнению (1.1) полное давление р* (давление затор- |
|||||||||
моженного потока), равное сумме статического р и динамического |
||||||||||
р |
= |
|
c |
2 |
/2 |
давлений, при течении невязкого газа остаётся постоян- |
||||
|
дин |
|
|
|||||||
ным. |
с |
|
|
|
|
рДИН =р*– рст = Ж ghдин |
|
|||
|
|
|
|
0 |
2 |
|
||||
|
|
|
|
1 |
|
|
ДИН |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h |
|
|
|
р1 |
c1р*=р0 |
c2 |
р* |
рст |
|
|||
|
|
|
|
|
|
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
2 |
Ж |
|
||
|
|
|
|
|
0 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
p= рст |
Трубка Пито |
|
|
|
|
|
|
|
|
р* |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
3d |
(8 9) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.1. Измерение динамического давления |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
комбинированной трубкой Пито–Прандтля |
|
|
Из уравнения (1.1) определяется скорость потока (м/с):
c |
2(p* p)/ |
2pдин / . |
(1.2) |
Полное давление р* может быть определено, если в критической точке А (см. рис. 1.1) сделать отверстие и тонкой трубкой соединить его с микроманометром или U-образным манометром. Статическое давление р, определяют с помощью щели или нескольких отверстий, размещенных в сечении 2-2, где скорость вновь приобретает значение с =с1 . Отверстия в сечении 2-2 называют статическими, так как они служат для измерения статического давления р. В формуле (1.2) величина ρ является плотностью воздуха.
Для увеличения точности измерений обычно сразу определяют разность полного и статического давлений, т. е. динамическое давление рдин = р* – р по разности уровней мерной жидкости в U-образном манометре. Связь между высотой столба мерной жидкости (ртути, спирта, воды) h (м) и давлением р (Па) устанавливается соотношением
5
p ж g h, |
(1.3) |
где g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения.
Для воды плотность ж = 1000 кг/м3. Если высоту столба взять в мм (для этого нужно числитель умножить на 1000; для сохранения равенства (1.3) нужно и знаменатель умножить на 1000), то связь высоты столба воды в мм с создаваемым им давлением в Па опреде-
лится выражением |
|
р = 9,81·h , |
(1.4) |
где 9,81 – коэффициент перевода давления, выраженного в мм водяного столба, в паскали (1мм вод. столба = 9,81 Па).
Если в выражении (1.2) динамическое давление выразить через динамический напор hдин (разность уровней воды в U-образном манометре) в мм по формуле (1.4), то уравнение (1.3) для скорости примет вид
c |
2 9,81hдин / 4,43 |
hдин / . |
(1.5) |
Впервые трубки, изогнутые под углом 90о, были применены в 1732 г. французским учёным Пито для измерения скорости потока воды в реке. Поэтому трубки, имеющие лишь одно отверстие в критической точке, т. е. трубки для измерения полного давления (напора), называют трубками Пито. Трубки, имеющие отверстия в критической точке и статические отверстия, иногда называют трубками ПитоПрандтля (см. рис. 1.1).
Конструктивные варианты комбинированных трубок (зондов) для измерения давления заторможенного потока р* и статического давления р представлены на рис. 1.2: а – продольно обтекаемые трубчатые (иглообразные) приёмники; б – зонд с протоком и дренажными щелями; в – зонд с игольчатым приёмником статического давления. Зонд с протоком менее чувствителен к скосу потока (несовпадению оси трубки с вектором скорости) и требуется меньшее отверстие в трубе для его установки. Зонд с игольчатым приёмником статического давления используется при исследовании сверхзвуковых потоков.
При течении газа с большой скоростью его плотность изменяется и для расчета скорости надо пользоваться формулой Сен-Венана
6
c |
2k p |
* |
|
|
p |
(k 1)/k |
|
|||||
|
|
1 |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
* |
|
|
|
|||||
|
k 1 |
|
|
p |
* |
, |
(1.6) |
|||||
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где k – показатель адиабаты (для воздуха k = 1,4).
d |
|
5d |
0,15 |
d |
0,05d |
|
||
с |
|
|
0,1d |
о |
|
20 |
|
|
с |
|
|
0,2d |
4d |
|
0,25d |
d |
0.8d |
|
(1–2)d |
аб
=0.2d
0 |
d d |
(6–10)d0 |
в
Рис. 1.2. Виды комбинированных трубок (зондов) для измерения полного и статического давлений
При скоростях менее 70 м/с можно пользоваться формулой (1.2), погрешность при этом не превышает 1%.
Для измерения малых давлений используются микроманометры с наклонной трубкой (микроманометры Креля). Наклон измерительной трубки сделан для увеличения точности отсчёта. С этой же целью в прибор заливают спирт этиловый или ректификат с малой плотностью. В приборах с наклонной трубкой длина столбика спирта связана с пьезометрической высотой соотношением hc lsin , где α – угол наклона трубки к горизонту. Перевод пьезометрической высоты спирта hc в высоту водяного столба производится по формуле
h hc c / вод ( c / вод ) lsin K l . (1.7)
Значения коэффициента K ( c / вод )sin указываются на стойке кронштейна микроманометра, против соответствующих углов установки трубки.
Для измерения расхода воздуха необходимо определить среднюю скорость потока по формуле
7
ccp 1A cdA 1A ci Ai ,
где сi – средняя скорость в элементе сечения площадью Ai.
Для упрощения расчетов все сечение А разбивается на равновеликие площадки площадью Ai = A/n, где n – число площадок. Тогда
величина |
|
ccp (c1 c2 ... cn )/n. |
(1.8) |
Если сечение прямоугольной формы, то задача решается просто путем деления площади на n равновеликих прямоугольников, в центре которых и измеряются скорости сi .
В случае трубы круглого сечения необходимо разбить площадь поперечного сечения трубы на равновеликие кольца и определить скорости в средней части равновеликих колец. Радиусы центральных окружностей, делящих равновеликие кольца пополам, определяют по формуле
r |
r |
2i 1 |
, |
(1.9) |
|
|
|
||||
i |
o |
2n |
|||
|
|
|
|
где ro – радиус трубы, мм; i = 1, 2, ..; n – номер равновеликого кольца. В табл. 1.1 представлены радиусы ri десяти (п = 10) равновеликих колец, подсчитанные по формуле (1.9), для трубы с внутренним ра-
диусом ro = 40 мм.
|
Радиусы равновеликих колец для трубы с ro |
|
Таблица 1.1 |
|||||||||
|
= 40 |
мм |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
8 |
|
9 |
10 |
ri, мм |
8,94 |
15,5 |
20,0 |
23,7 |
26,8 |
29,7 |
32,3 |
|
34,6 |
|
37 |
39 |
Если измерить скорости сi на радиусах ri, то по формуле (1.8) можно найти сср. Однако точно установить измерительный зонд в центрах равновеликих колец в процессе эксперимента весьма затруднительно. Обычно скорости измеряются через равные интервалы по всему диаметру трубы и затем строится эпюра скоростей, из неё выбираются скорости сi, лежащие на радиусах ri равновеликих колец.
Различают объёмный и массовый расходы газа (жидкости), проходящего через поперечное сечение трубы. Объёмный расход жидкости определяют как отношение объёма жидкости, прошедшей
8
через трубу за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени (м3/с):
Vt dV/dt ccp A, |
(1.10) |
где сср – средняя по сечению скорость потока, м/с; |
А – площадь попе- |
речного сечения трубы, м2. |
|
Объёмный расход численно равен объёму вещества, протекающего через поперечное сечение трубы за единицу времени.
Массовый расход газа определяют как отношение массы газа, прошедшего через трубу за некоторый промежуток времени, к этому
промежутку времени (кг/с): |
|
mt dm/dt ccp A, |
(1.11) |
где – плотность газа, кг/м3.
Массовый расход численно равен массе вещества, протекающего через поперечное сечение трубы за единицу времени.
Для получения сравнимых результатов измерений объемный расход газа приводят к нормальным (стандартным) условиям по формуле
Vн mt /ρн , |
(1.12) |
где ρн = рн /(RTн) – плотность газа при нормальных (стандартных) ус-
ловиях: рн = 760 мм рт. ст. = 101325 Па; Тн = 293 К (20 °С).
Для воздуха удельная газовая постоянная R = 287 Дж/(кг.К) и
ρн = рн /(RTн) =101325/(287 293) =1,205 кг/м3.
1.3.Описание лабораторной установки
Влабораторной работе расход воздуха определяется в трубе круглого поперечного сечения. Схема установки приведена на рис. 1.3. Установка с трубой круглого сечения диаметром 8 см состо-
ит из вентилятора 1, который подаёт воздух в трубу 2 объемом примерно 55 м3/ч при открытой заслонке 3.
Динамический напор в различных точках диаметра трубы измеряется с помощью спиртового микроманометра Креля 4, соединённого плюсовым патрубком с трубкой Пито 5 и минусовым – с трубкой статического давления 6. Статический напор измеряется водяным U-образным манометром 7. Атмосферное (барометрическое) давление измеряется барометром 8, а температура воздуха в трубе – термомет-
9
ром 9. Изменение положения заслонки 3 вызывает изменение скорости воздуха в трубе и, следовательно, перепада давления на диафрагме 11, который фиксируется прибором КСД-3 10.
8 |
pa |
|
10 |
|
2 |
5 12 |
9 |
|
|
|
|
|||
|
p* |
|
p |
|
|
ст |
pa |
6 |
3 |
|
h |
|
11 |
|
1 |
|
|
h |
=К.l , мм |
|
|
|
дин |
сп |
|
|
7 |
|
|
+ – |
0 |
lсп |
|
4 |
К=0,2 |
||
|
Рис. 1. 3. Схема установки для измерения скорости и расхода воздуха с помощью пневмометрических трубок:
1 – вентилятор; 2 – труба; 3 – заслонка; 4 – микроманометр Креля; 5 – трубка Пито; 6 – трубка статического давления; 7 – U-образный манометр; 8 – барометр; 9 – термометр; 10 – КСД-3; 11 – диафрагма; 12 – указатель направления
1.4. Порядок выполнения работы
Работа выполняется в следующей последовательности:
1. Ознакомиться с приборами и устройством лабораторной установки. Установить микроманометр Креля с помощью регулировочных винтов в горизонтальной плоскости. Наклонную трубку микроманометра опустить в крайнее нижнее положение до отметки
(К = 0,2).
2.Включить вентилятор и, вращая заслонку 3, установить стрелку прибора КСД-3 на первом делении (всего шесть делений). Полностью опустить трубку Пито 5 в трубу 2 до упора (следить за точностью установки зонда вдоль оси трубы по указателю направления 12).
3.Произвести следующие измерения при данном положении заслонки (стрелка КСД-3 установлена на первом делении):
а) динамического напора – по длине столбика спирта lcп в трубке
10