Гидравлические характеристики продувочно-выпускного тракта

Гидравлической характеристикой продувочно-выпускного тракта называется зависимость давления в определенных точках воздушно-газового тракта (в продувочном ресивере, в выпускном коллекторе перед газовой турбиной, после газовой турбины) от расхода воздуха через двигатель на установившихся режимах работы.

При рассмотрении характеристик дизеля можно обратить внимание на то большое влияние, которое оказывает воздухоснабжение на рабочий процесс и параметры тепловой напряженности. Выяснить характер изменения воздухоснабжения дизеля на различных режимах можно, зная закономерности изменения характеристик газообмена и наддува в зависимости от конструкции системы, эксплуатационных условий и режима работы двигателя.

Совместная работа дизеля и нагнетателя воздуха — компрессора — определяется точкой пересечения 2-х характеристик: гидравлической характеристики продувочно-выпускного тракта и характеристики нагнетателя.

Обычно давление и расход воздуха берется в относительной форме:

Ps = Ps/Po; (№1)
Рт = Pт/Po; (№2)
Pг = Pг/Po; (№3)
Gs = G’s/Gs. (№4)

Здесь: Ps — давление в продувочном ресивере;
Рт — давление газа перед газовой турбиной;
Рг — давление газа после газовой турбины;
Ро — давление окружающей среды;
Gs — массовый расход воздуха на режиме, принятом за эталонный;
G’s — расход воздуха на произвольном установившемся режиме.

Согласно уравнению сплошности, секундный массовый расход воздуха определяется равенством:

Gs = μƒэкв Gs ps (№5)

  • где μƒэкв — эквивалентное эффективное сечение газовоздушного тракта;
  • Cs — средняя скорость воздуха;
  • ps — плотность воздуха.

При докритическом истечении скорость воздуха может быть найдена из уравнения:

 

Cs = 21p = √(2k / (k — 1)) (PsVs — PtVt), (N6)

  • где — располагаемая работа при расширении воздуха от давления Ps до давления Рт;
  • Vs, Vт — удельные объемы воздуха и газа в продувочном ресивере и перед газовой турбиной.

Подставив значение скорости Cs в уравнение расхода (№5) и выполнив преобразования, получим:
 

Gs = μƒэкв√Ps ρs Ψs

где Ψs = √(2k /(k-1)) (1 — (Pt/Ps)(k-1)/k ) — функция перепада давления.

В относительной формуле можно записать расход как:

Gs = GsGs = μfэквPs ρs ψs PоμfэквPs ρs ψs Po.

Заменим плотность воздуха в приведенной формуле на основании уравнения состояния: ps = Ps / RTs — и выделим в левую сторону относительное изменение давления в продувочном ресивере. Получим:

PsPo = GsμfэквPsTsψsμfэквPsTsψs .

Аналогично для давления перед турбиной можно записать:
 

PtPo =Gs μfTPTTT ψTμfTPTTT ψT

  • где Тт — средняя температура газа перед турбиной;
  • Ψт — функция перепада давления Рт/Рг.

Зависимость Ps / Ро = ƒ(Gs) является основной. Она используется для построения характеристики системы наддува и непосредственно влияет на положение рабочей точки компрессора. Кривая Ps / Ро = ƒ(Gs) называется также “расходной характеристикой двигателя”.

Давление в различных точках системы находится в сложной зависимости от режима работы, состояния двигателя, воздушного и газового тракта и агрегатов наддува. При неизменном состоянии тракта и турбокомпрессоров можно принять μƒэкв = 1, μƒт = 1, задача построения гидравлических характеристик упрощается. Для построения кривых Ps / Ро = ƒ(Gs), Рт / Ро = ƒ(Gs) достаточно задаться значениями Gs = 1,0; 0,9; 0,8; и т.д. и соответствующими относительными величинами температуры газа перед ГТН и воздуха в продувочном ресивере Тт иTs.

Температура воздуха в ресивере Ts изменяется в узких пределах. Можно принять, что при любом способе регулирования температуры величина Ts поддерживается постоянной; тогда Ts = 1. Температура газов перед турбиной Тт изменяется в значительно больших пределах. Ее можно найти из уравнения теплового баланса по выпускным газам:

qгаз = Gs С (Тт — Ts) (№9)

С другой стороны, тепло уходящих газов можно оценить зависимостью:

qгаз — Qн hа ηn γт n δqгаз, (№10)

где hа ηn γт = gц — цикловая подача топлива;
— теплотворная способность топлива;
n — частота вращения;
δqгаз — относительная доля тепла с уходящими газами.

Объединив приведенные две зависимости, можно найти отношение разности температур на произвольном и “эталонном” режимах:
 

TT  TsTT  Ts = haηnδqгазGshaηnδδгазGs

Как видно из полученной зависимости, при различных значениях Gs изменение температуры Тт зависит от режима работы двигателя — изменения его частоты вращения n, подачи топлива hа ηn, относительной потери тепла с выпускными газами δqгаз и изменения температуры воздуха в ресивере Ts. Через температуру Тт проявляется связь гидравлических характеристик реального двигателя с процессами в цилиндре, системах топливоподачи и воздухоснабжения при работе двигателя на различных режимах. Установить эту взаимосвязь теоретическим путем в явном виде весьма затруднительно. Поэтому зависимости Тт = ƒ( Gs) устанавливаются на основе данных специальных теплобалансных испытаний двигателя.

Примерный вид кривых зависимостей средней температуры газа перед турбиной от режима работы двигателя дан на рис. №1.

Рис. 1 Изменение средней температуры газов перед ГТН при работе по внешней (1), нагрузочной (2) и винтовой (3) характеристикам

Как видно, для режимов внешней характеристики (кривая 1) средняя температура газов Тт изменяется мало при существенном снижении расхода воздуха. При работе по нагрузочной и винтовой характеристиках (кривые 2 и 3) при снижении нагрузки и уменьшении расхода воздуха температура Тт значительно уменьшается.

Используя опытные данные для температур, можно построить кривые зависимостей Рт/Ро и Ps/Po от относительного расхода воздуха Gs (Рис. 2). Как видно из рисунка, для режимов винтовой, нагрузочной характеристик уменьшение подачи топлива приводит к значительному снижению Тт, что сопровождается большим падением давления Рт/Ро, Ps/Po при снижении расхода воздух, чем по внешней характеристике.

Рис. 2 Гидравлические характеристики систем наддува для режимов внешней (1), нагрузочной (2), винтовой характеристик легкого (3) и тяжелого (4) винта

При утяжелении винта при одних и тех же массовых расходах воздуха температура газов увеличивается, что приводит к увеличению его удельного объема, скоростей потока и удельного гидравлического сопротивления. Поэтому гидравлическая характеристика смещается влево, в область меньших расходов воздуха. Для обеспечения того же массового расхода воздуха необходимо увеличить давление наддува Ps.

Расстояние между кривыми Ps/Po = f(Gs) и Рт/Ро = ƒ(Gs) характеризует потери давления на продувку цилиндра. Эти потери для конкретного двигателя определяются конструкцией и степенью загрязнения органов газообмена.

Октябрь, 07, 2016 379 0
Читайте также