Тема: Подбор газотурбонагнетателя для ДВС

Судовые турбомашины

Электронные

методические указания к курсовой работе

для курсантов КМРК

Тема: Подбор газотурбонагнетателя для ДВС

Калининград 2010

Автор:

1. Гурьев В.Г., профессор кафедры СЭУ

Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры СЭУ

БГАРФ «__» ______ 2010 г., протокол № ___

Рецензенты: профессор кафедры СЭУ Можаев О.С.

Содержание

1. Введение 3
2. Содержание курсового проекта 3
3. Порядок выполнения курсового проекта

3.1. Анализ конструкции и эксплуатационных качеств

двигателя – прототипа 4

3.2. Исходные данные для расчета рабочего процесса 4

3.3. Влияние эксплуатационных факторов на совместную

работу ГТНА и дизеля 5

3.4. Расчет системы безразборной очистки ГТНА 6 4. Рекомендуемая литература

Приложения

1. ВВЕДЕНИЕ

Особенностью флота рыбной промышленности является преимущественное применение дизелей в качестве главных и вспомогательных двигателей. Причем в последнее время устанавливаются в основном двигатели с газотурбинным наддувом. Поэтому в курсовой работе по дисциплине «Судовые турбомашины» целесообразно рассматривать вопросы, относящиеся к газотурбинным наддувочным агрегатам судовых дизелей (ГТНА).

Курсовая работа является заключительным этапом изучения курса «Судовые турбомашины». При его выполнении теоретические положения изучаемой дисциплины получают практическое применение, позволяющее курсантам:

- закрепить знания, приобретенные при изучении дисциплины;

- углубить знания по устройству, конструктивным особенностям и эксплуатации ГТНА;

- приобрести навыки в применении технической и справочной литературы, методов и средств вычислений;

- получить опыт составления отчетной технической документации, обосновывающей принятые технические решения;

- подготовиться к дипломному проектированию.

2 СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Курсовой проект включает расчетно-пояснительную записку и графическую часть.

Расчетно-пояснительная записка может быть оформлена от руки, набрана на компьютере и напечатана. Текст должен быть кратким, сопровождаться необходимыми рисунками, схемами, графиками, ссылками на литературу, приложениями, содержать оглавление и список литературы.

Расчетно-пояснительная записка включает:

- титульный лист (приложение 1);

- задание на работу (приложение 2);

- оглавление;

- список условных обозначений, регулярно встречающихся в записке;

- краткое описание схемы, принципа действия, основных технико-экономических характеристик выбранного типа двигателя – прототипа и выбранного к нему турбокомпрессора, области его применения и периодических осмотров и ремонтов;

- анализ влияния эксплуатационных и внешних факторов на совместную работу дизеля и турбокомпрессора;

- упрощенный расчет основных технических характеристик ГТНА для выбранного ДВС и системы безразборной очистки компрессора и турбины.

Графическая часть курсовой работы выполняется на листе формата А-3 и включает в себя:

- схема газотурбинного наддувочного агрегата;

- устройство для безразборной очистки турбокомпрессора.

Пояснительная записка и графическая часть оформляется в соответствии с требованиями ЕСКД, и подразделяются на части в соответствии с пунктами задания.

3 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

(порядок написания пояснительной записки)

3.1 Анализ конструкции и эксплуатационных качеств двигателя – прототипа.

При выполнении этого раздела курсант должен ознакомиться с рекомендованной литературой, собрать и проанализировать имеющиеся данные о двигателе-прототипе. В частности, следует обратить внимание на следующие характеристики:

а) тип ГТНА и его параметры:

- частоту вращения ротора ГТНА;

- степень повышения давления в компрессоре;

- максимальную допустимую температуру газов на входе в ГТНА;

- средний диаметр турбинной ступени;

- наружный диаметр колеса компрессора;

- тип компрессора;

- тип турбины;

- массу и габаритные размеры ГТНА;

- ресурсные показатели;

- маркировка по ГОСТу;

б) конструктивные особенности узлов и систем

- корпуса ГТНА;

- ротора;

- подшипников;

- крепления лопаток турбины к колесу;

- концевых уплотнений;

- системы охлаждения ротора;

- системы охлаждения корпуса;

- системы масляного охлаждения;

в) применяемые сорта масла;

г) требования к качеству охлаждаемой воды;

д) материал основных улов и деталей.

Описание конструктивных особенностей выполняется в сжатой форме.

3.2 Эксплуатация ГТНА

Используя предложенную литературу, практические работы, проводимые на лабораторной установке с двигателем типа 6 ЧН 18/22 и тренажере " Дизельсим", описать типовые правила подготовки, запуска и эксплуатации ГТНА.

3.3 Техническое обслуживание ГТНА

Описать, используя предложенную литературу и материал лекционных и практических занятий, периодические осмотры и ремонты ГТНА.

3.4 Исходные данные для расчета рабочего процесса.

В качестве исходных данных (задание на КР приложение 2) задаются тип и мощность двигателя, на котором установлен газотурбинный надувочный агрегат, удельный расход топлива, воздушно-топливное отношение при сгорании, коэффициент избытка продувочного воздуха, температура выпускных газов дизеля на входе в турбину, давление и температура окружающей среды, давление наддува, число сопловых и рабочих лопаток турбины и др.

Курсанты очной формы обучения определяют вариант исходных данных (приложение 3) по заданию ведущего преподавателя дисциплины; заочной формы обучения по двум последним цифрам шифра своей зачетной книжки (приложение 3).

Количество воздуха, необходимого для осуществления процессов сгорания топлива и продувки цилиндров, вычисляется по формуле

, кг/с,

где α ₁ = α _* L₀

b_e – удельный расход топлива в дизеле, кг/кВт _* ч

N_e – мощность дизеля, кВт

α ₁ – воздушно-топливное отношение при сгорании

φ _a – коэффициент продувки

α – коэффициент избытка воздуха при сгорании

L₀ – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива, кг воздуха/ кг топлива (14, 35 кг/кг).

Расход газа вычисляется по формуле

3.5 Влияние эксплуатационных и внешних факторов на совместную работу ГТНА и дизеля

Используя предложенную литературу, практические работы, проводимые на лабораторной установке с двигателем типа 6 ЧН 18/22 и тренажере " Дизельсим", описать причины, вызывающие ухудшение технического состояния ГТНА (уменьшение массы и давления воздуха, подаваемого в ДВС, нарушение процесса сгорания; увеличение удельного расхода топлива и тепловой напряженности и другие).

При этом необходимо учитывать внешние факторы, влияющие на работу ДВС: температура и давление окружающего воздуха; влажность воздуха; температура забортной воды; пыль, грязь и другие.

В дальнейших расчетах необходимо учитывать степень технического состояния ГТНА по данным задания и указать это в пояснительной записке. Потери давления на входе в компрессоре (сопротивление воздушного фильтра) Δ Рвх; потери давления между компрессором и цилиндрами двигателя (сопротивление воздухоохладителя) Δ Рох; потери давления за турбиной Δ Рвых и другие факторы.

Влияние приведенных выше факторов на совместную работу ДВС и ГТНА исследовано недостаточно. В настоящее время имеются только качественныезависимости. Отсутствуют аналитические зависимости, отражающие влияние системы приведенных факторов на характеристики работы ГТНА и ДВС. Поэтому данный раздел курсового проекта является научно-исследовательской работой, выполняемой экспериментальным или расчетным способом.

Эксперименты проводятся налабораторной установкес двигателем типа 6 ЧН 18/22 и тренажере " Дизельсим", расчеты – на ЭВМ по программе СЭУ ОДЗ.

Каждый курсант получает индивидуальное задание по исследованию влияния группы эксплуатационных факторов и после анализа литературных источников обосновывает способ решения поставленной задачи.

В пояснительной записке необходимо подробно изложить качественное влияние системы эксплуатационных и внешних факторов на работу ГТНА и ДВС, а затем – результаты расчетного (экспериментального) исследования.

3.6 Упрощенный расчет основных характеристик ГТНА и системы безразборной очистки

Отложения на лопатках турбины подразделяются на зольные сухие отложения с относительно высокой шероховатостью толщиной 0, 1 – 1, 3 мм, сажистые мазеобразные отложения толщиной до 3 мм, твердые пористые отложения, образующиеся при работе дизелей на вязких сортах топлива или в результате выгорания сажистых мазеобразных отложений.

Химический анализ отложений, образующихся на лопатках турбины, показал, что наиболее легко удаляются зольные сухие отложения. Они смываются полностью при движении воды по поверхности лопаток. Сажистые мазеобразные отложения достаточно хорошо удаляются водой, при ударном воздействии капель при условии, что его толщина не превышает 1 мм. Уста­новлено, что промывка в зависимости от сорта топлива и гистограмм нагрузок должна выполняться через 80-150 часов работы.

Загрязнение проточной части компрессора происходит вследствие попадания частиц масла через уплотнениямежду колесом компрессора и подшипником и наличия мелкодисперсного аэрозоля в воздухе, поступающем после фильтра, наличия в воздухе паров топлива и масла.

Теоретические и экспериментальные исследования показыва­ют, что для удаления отложений толщиной 0, 5 мм с поверхности лопаток компрессора требуется ударное воздействие жидкости под давлением 2, 5 МПа. При этом отложения удаляются только с части поверхности. Поэтому, в отличие от турбины, безразборная очистка компрессора должна осуществляться под дей­ствием моющих средств, воздействие которых будет превышать силы сцепления отложений с поверхностью лопаток. В настоящее время на судах применяют воду, дизельное топливо, керосин, растворы поверхностно-активных веществ: " Чистра", " Синвал", МС, " Термос" и др.

Метод и пример расчетасистем промывки компрессора моющим средством " Термос" [6] приведены в табл. 1.1, расчета турбин - в табл. 1.2.

Таблица 1.1

Упрощенный расчет компрессора и системы промывки

Показатель	Расчетная формула	Пример расчета ТК	Примечание
1. Расчет воздуха через компрессор Gк, кг/с Расход газа через турбину Gг, кг/с		1, 1   1, 16
2. Давление за компрессором Р¹ к, Па Δ Рох- потери давления в воздухоохладителе (между компрессором и цилин­драми двигателя)	Р¹ к = Рк – Δ Рох = 200000 – 3000 = 197000		Задано Рк; Δ Рох
3. Давление перед компрессором Ро, Па Δ Рвх- потери давления на входе в компрессор	Ро = Ра – Δ Рвх		Задано Ра; Δ Рвх
4. Степень повышения давления π к		1, 98
5. Адиабатная работа компрессора Нк, Дж/кг	Нк = 1005 * Та * Δ t'к Проверка:		Δ t'к – в приложе­нии 5; Та – задано
6. Коэффициент напора Нк¹	Нк¹ (с лопаточными диффузорами)	1, 39	Приложение 4 в зависимости от Дк
7. Окружная скорость Uк (на диаметре Дк), м/с
8. Частота вращения ротора n, об/мин			Дк – задано
9. Мощность привода компрессора на валу Nк, кВт	Nк = Gк * Нк * η к		η к – в приложении 4 в зависимости от Дк (большие значения относятся к более мощным ДВС)
10. Коэффициент расхода компрессора Сm¹		0, 2	Принимается 0, 20 – 0, 35
11. Скорость потока воздуха перед колесом С1, м/с	С1 = Сm¹ * Uк	58, 8
12. Скорость потока воздуха в колесе компрессора Ск, м/с	Ск = (0, 9 – 1, 0) * С1	52, 9
13. Температура воздуха после компрессора Тк, К	Тк = Та + 130
14. Плотность воздуха ρ к, кг/м³		1, 65	R = 287 Дж\кгК
15. Ширина колеса компрессора bк, мм		12, 9	Дк в метрах
16. Число лопаток колеса компрессора Zк, шт			Принимается: Zк = 12 – 23
17. Длина канала компрессора Lк, м	Lк = (1 – 1, 1)Дк	0, 31	Lк – принимается в зависимости от Дк
18. Параметры диффузора: - число лопаток Zд, шт; - ширина bд, мм		11, 6	Принимается: Zд = 13 – 31; bд = (0, 9-1, 0) bк
19. Площадь омываемой поверхности Fгр, м2	Fгр = (2 Zк * bк + 2 Zд * bд)*Lк	0, 24
20. Расход моющего состава Т1 GТ1, кг/с	Gт1 = qт1 * Fгр	0, 012	qт1 = 0, 05 кг/с
21. Количество раствора, кг: Т1QT1 T2QT2	Qт1 = q'т1 * Fгр Qт2 = 2Qт1	0, 108 0, 216	q'т1 = 0, 45 кг/м2
22. Давление воздуха в емкости для моющего состава, Па	Рх = Рк
23. Скорость выхода моющего состава из форсунки Сф, м/с		19, 5	Принимается: φ ф = 0, 95 - 0, 96; ρ Т1 = 950 кг/м3
24. Суммарная площадь проходных сечений форсунки Fф, мм2		0, 64	ρ Т1 = 950 кг/м3
25. Количество отверстий в форсунке Zф		Zф = 6	Принимается: Zф = 4 - 8
26. Диаметр отверстий форсунки dоф, мм			π = 3, 14

Таблица 1.2

Упрощенный расчет турбины и алгоритм расчета системы промывки

Показатель	Расчетная формула	Пример для ГТНА ТК	Примечание
1. Температура газа перед турбиной на режиме промывки Тт, К	Задано
2. Скорость выхода газа из рабочих лопаток на режиме промывки w2, м/с			Принимается w2 = 130 – 330 (большие значения относятся к более мощным ДВС)
3. Температура газа на выходе из турбины Т2т, К 3.1 Поправочный коэф­фи­циент η попр (см. рис.1 метод. указаний) 3.2 к.п.д. турбины η т = η i η м 3.3 к.п.д. турбины с учетом импульсивности η ти = η т η попр 3.4 Общий к.п.д. турбо­компрессора η тк = η к η т; 3.5 Адиабатная работа турбины Нт, Дж/кг Нт = (GкНк)/(Gг η ти η м); 3.6 Адиабатный перепад температур Δ t=Нт/1130.	Т2т = Тт – (Δ t * η i *η попр)	520, 5	Принимается η i = 0, 8 - 0, 9 Принимается η м = 0, 92 – 0, 98 Принимается η к = 0, 7 – 0, 84 (большие значения относятся к более мощным ДВС)
4. Мощность турбины Nт = Gг * Нт * η ти, кВт	Nт = Gг * Нт * η ти	64, 8
Производиться сравнение мощностей турбины и компрессора (Nт и Nк). В случае, когда Nт < Nк на величину, превышающую 3% необходимо намечать способы обеспечения баланса мощностей турбины и компрессора.
5. Температура поверхности рабочих лопаток, Тл, К			δ т = 0, 99; С¹ p2 = 1080 Дж/кгК
6. Коэффициент теплопроводности, λ т Вт/мК	λ т	0, 044	[9] Принимается 0, 044
7. Коэффициент кинематической вязкости газа, υ 2, ам2/с	υ 2	0, 000033	[9] Принимается 0, 000033
8. Критерий Прандтля Pr	Pr	0, 67	[9] Принимается 0, 67
9. Критерий Рейнольдса Re			L2 = 0, 0433 м
10. Критерий Нуссельта Nu	Nu = 0.037 Re0.8 * Pr0.43
11. Коэффициент теплоотдачи от газа к лопатке, Вт/(м2º С)	α т = Nu * λ т / L2
12. Площадь охлаждаемой рабочей лопатки,.м2	F'p = 2 b'2 * L2	0, 002	b'2 = 0, 0239 м
14. Длина лопатки hл, мм	hл = (0, 12 – 0, 24) Дт = 0, 15*250 = 37, 5	37, 5	Дт – задано
15. Объем охлаждаемой лопатки, м3	V'p = F'p * hл	0, 000075	hл – в мм
16. Требуемой теплосъем с рабочих лопаток, Дж	Qт =Cрл*V'p*(Тл-Т'1)*Zp* ρ л		ρ л = 7800 кг/м3 Cрл =460 Дж/кгК Т'1 = 373 K Zp = 35
17. Средняя температура лопатки в процессе охлаждения, К			α 'т = 1, 1
18. Количество теплоты, передаваемой от газа лопаткам в процессе их охлаждения до 373 К, Вт	qr = α т * F'р * (Тл-Тср) * Zp
19. Коэффициент теплоотдачи от воды к газу, Вт/(м2К)	α w =α т * [(Tт- Т'1)/(Т'1-Tw)]		Tw = 353 K
20. Количество теплоты, отбираемой водой в процессе охлаждения лопаток, Вт	qw = Zp * F'p * (Tcp-Tw) *Хв*Ср		Cp = 4190 Дж/кгК Хв = 0, 2
21. Время, необходимое для охлаждения лопатки до 373 К, с	τ 1 =Qт / (qw-qr)
22. Время промывки τ 2, с	Принимается
23. Общее время промывки τ пр, с	τ пр = τ 1 + τ 2
24. Площадь сопловой лопатки, м2	F'c = 2b1 * L1		L1=0, 0445 м b1 = 0, 049 м
25. Омываемая поверхность сопловых и рабочих лопаток, м2	F = F'c * Zc + F'p * Zp		Zc = 30
26. Расход моющей жидкости, кг/с	G'w = Gж * F * δ 'пл * ρ w		δ 'пл = 1*10-3 кг/м ρ w = 972 кг/м3 Gж = 1, 2 кг/с
27. Требуемое количество моющей жидкости, кг	Сw = G'w * τ пр
28. Давление газов за турбиной Р1, Па Δ Рвых – потери давления за турбиной.	Р1 = Ра + Δ Рвых		Задано Δ Рвых
29. Относительный перепад температур Δ t'т	Δ t'т = ∆ t / Тт
30. Давление газов перед турбиной Рт, Па	Рт = Р1 * π т		π т находиться в приложении 5 по данным Δ t'т
31. Плотность газа перед турбиной, кг/м3	ρ т = Рт / R * Tт		R=288 Дж/кг К
32. Скорость течения газа перед турбиной, м/с	Č т = Gr / zпр* ρ т * F		zпр = 0, 2
33. Диаметр канала dкан, мкм	Принимается (100-250)
34. Требуемая скорость движения капли, м/с	Cw = Č т + +[(16(G’w)1.5-4860)/dкап]		dкап в мкм
35. Коэффициент теплопроводности воды, Вт/(мº С)	λ w	0, 00668	[9] Принимается 0, 00668
36. Коэффициент кинематической вязкости, м2/с	υ w	0, 000000365	[9] Принимается 0, 000000365
37. Коэффициент температуропроводности от газа к капле, м2/с	α w	0, 0000163	[9] Принимается 0, 0000163
38. Критерий Pr для капли	Prw	2, 23	[9] Принимается 2, 23
39. Критерий Re для капли	Rew = (Cw * dкап ) / υ w		dкап в м
40. Критерий Nu	Nuw = 0, 66*Rew0.5*Prw0.33
41. Коэффициент теплоотдачи от капли к газу, Вт/(м2º С)	α 'w = Nuw * λ w / dкап
42. Расхождение, %	|δ α w| =| (α w-α ’w) / α ’w | *100 При δ α w ≤ 1% -переход к п.43 При δ α w> 1%-возврат в п.32
43. Расстояние от соплового аппарата до места установки форсунки, м	Lф = Уф* (dкап102/Тт * Č т)	0, 47	dкап в мкм Уф = 0, 7

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Слободянюк Л.И., Поляков В.И. Судовые паровые и газовые турбины и их эксплуатация. - Л.: Транспорт, 1983. - 358 с.

2. Зайцев В.И., Моисеев А.А., Грицай Л.Л. Судовые паровые и газовые турбины. - Л.: Транспорт, 1981. - 369 с.

3. Курзон А.Г. Теория судовых паровых и газовых турбин. - Л.: Судостроение, 1971.- 389 с.

1. Турбокомпрессоры для наддува дизелей. Справочное пособие. - Л.: Машиностроение, 1975. - 199 с.

5. Дизели. Справочник. -Л.: Машиностроение, 1977. - 480 с.

6. Межерицкий А.Д. Турбокомпрессоры систем наддува судо­вых дизелей. - Л.: Судостроение, 1986. - 247 с.

1. Возницкий И.В. Техническая эксплуатация двигателей промысловых судов. - М.: Пищевая. промышленность, 1969, - 367с.

8. Инструкция по эксплуатации турбокомпрессора.

1. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1973.
2. Журнал " Двигателестроение".
3. Атлас конструкций турбокомпрессора.
4. Конспекты лекций по дисциплине судовые турбомашины

\

Рис. 1 Зависимости:

а) – η попр, импульсной турбины от отношения Δ Рmax / Δ Рт;

б) – отношения Δ Рmax / Δ Рт от Рк;

____ ____ _____ - без учета протекания газа;

________________ - с учетом протекания при выпуске газа из трех

и ____. _____. _____ из двух цилиндров в один

трубопровод.

Приложение 1

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ

АГЕНСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ

БАЛТИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
РЫБОПРОМЫСЛОВОГО ФЛОТА

Кафедра СЭУ

Пояснительная записка к курсовой работе

На тему: Подбор газотурбонагнетателя для ДВС

Вариант № ____

Курсант _________________________________

Гр. _____________________________________

Зав.кафедрой____________________________

Руководитель работы____________________

Калининград 20__ г.

Приложение 2

АГЕНСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ

БАЛТИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
РЫБОПРОМЫСЛОВОГО ФЛОТА

Кафедра СЭУ

ВАРИАНТ № ______

ЗАДАНИЕ на курсовое проектирование на тему:

Подбор газотурбонагнетателя для ДВС

курсанту группы_______________________________________________________________

Ф., И., О. курсанта

1. Дата выдачи задания__________________________________________________________

2. Сроки сдачи курсантом отдельных частей и проекта в целом

Подобрать газотурбонагнетатель (ГТНА) ДВС по следующим данным:

1. Мощность ДВС, N_e кВт_______________________________________________
2. Воздушно-топливное отношение при сгорании, α 1 = α L₀ __________________
3. Коэффициент избытка продувочного воздуха φ а___________________________
4. Расход топлива, b_e кг/кВт час__________________________________________
5. Давление продувочного воздуха, P_к МПа_________________________________
6. Температура газа перед турбиной, Тт °С_________________________________
7. Коэффициент избытка воздуха при сгорании α ____________________________
8. Параметры атмосферного воздуха: Ра____________Па; Та_____________К
9. Потери давления на входе в компрессор Δ Рвх________Па
10. Потери давления воздухоохладителя Δ Рох___________Па
11. Потери давления за турбиной Δ Рвых________________Па
12. Наружный диаметр колеса компрессора Дк__________мм
13. Средний диаметр турбинной ступени Дт____________мм

СОДЕРЖАНИЕ ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ

1. Краткое описание и анализ конструкции турбокомпрессоров, применяемых для наддува ДВС заданной мощности, эксплуатация и периодические осмотры и ремонты. Выбор типа компрессора.
2. Исследование влияния эксплуатационных и внешних факторов на совместную работу ГТНА и дизеля.
3. Расчет системы безразборной очистки ГТНА.
4. Выводы: обоснование подбора ГТНА для конкретного ДВС, описание безразборной очистки.

ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Система безразборной очистки ГТНА (1 лист А3)
2. Газотурбонагнетатель (1 лист общий вид А3)

Задание выдал__________________________________

Задание получил________________________________

Приложение 3

Варианты заданий

Приложение 4

Средние значения η _к и Ĥ _к компрессоров ТК

Приложение 5

Вспомогательная таблица для расчета характеристик компрессора и турбины

Владимир Георгиевич Гурьев

СУДОВЫЕ ТУРБОМАШИНЫ

Методические указания к курсовой работе для специальности 180403

«Эксплуатация судовых и энергетических установок»