环境温度对涡轮增压器的影响.docx
《环境温度对涡轮增压器的影响.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《环境温度对涡轮增压器的影响.docx(31页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、环境温度对涡轮增压器的影响毕业论文设计学院:大连海事高校专业:船舶海洋工程 姓名:赵晨贺 指导老师:侯岩滨毕业设计(论文)辩论成果评定船舶与海洋工程专业毕业设计(论文)第辩论委员会于 年 月 日审定了同学的毕业设计(论文)。设计题目: 设计(论文)说明书共 页,设计图纸张。毕业设计(论文)辩论委员会意见:成果:船舶与海洋工程毕业设计辩论委员会主任委员(签字)毕业设计(论文)指导老师批阅意见算转速 冗。几 一 jyr离心式压气机特性1 .压气机的稳流特性压气机特性是指压气机的性能参数(八,八)与工作参数(mk, iik,Pi,1)之间的关系, 其数学表达式为8k=Rk(mk, riK, Pi,
2、Ti) n k= n k(mk, riK, Pi, Ti) 假如进口条件不变,那么压气机的性能参数就取决于流量和转速,于是有 ik=nk(nik, iik)Q k= H k(nik, I1K)上式称为压气机的流量特性,一般由稳流试验得到。压气机在工作中,其主要性能 参数将随着压气机运行工况的变动而变化。压气机的主要性能参数在各种工况下的 相纽关系曲线称作压气机的特性曲线。通常所说压气机的特性曲线是指在不同转速 下,增压比和定嫡效率随流量的变化关系,即流量特性。它包括效率特性和增压比 特性。2 .压气机的通用特性实际上在使用涡轮增压器时,山于地点和季节的不同,环境条件会发生变化, 这会引起压气机
3、特性线发生转变。假设UK和P。不变,从公式可知(压气机转速不变相应于压气机的等燧压缩功基本不变),To降低时,压比将增 加:反之,压比将降低;同时气体的密度、质量流量,以及压气机所消耗的功率、特性 线都将发生较大变化。由此可知,环境条件变化,特殊是环境温度的变化对压气机 的主要工作参数产生较大的影响。因此,在不同的条件下测得的压气机特性线也就 不同,这在应用上很不便利。为了消去环境条件转变时对压气机特性的影响,也为 了争论和实际使用的便利,一般常用相像参数来表示。依据气体流淌相像原理,可采纳利历,3 这一组相像参数来绘制压气机的特性曲线,这种压气机的特性 7T方线不受环境条件的影响,因而称为压
4、气机的通用特性线。采纳相像参数绘制压气机 的通用特性,其数学表达式可写为;兀k=兀k (加4.历,) ,Pl 玩n k= n k(m卜厅i,% )P但由于这一组参数是静参数,Ta. po随着流量而变,因此给用户带来很大的不便。所以离心压气机的特性线实际上是以滞止参数来比厅,n表示的。由于在试验 J历时,当时的环境压力、温度很简洁测量,并且基本上不变,这给绘制特性线带来了 便利。2.2压气机特性的数值表示压气机特性的数值表示方法在增压柴油机的匹配计算中,要求在压气机特性上确定协作运行点,为了使程序具 有自动查找运行点的功能,要求将压气机特性用数值表示,并输入计算机中储存起 来。压气机特性的数值表
5、示方法有下面两种:1 .网格法(数组存储法)用正交网格离散压气机特性线图上的等效率曲线小和等转速曲线I1TK,读取每个网格点上的nk和n*值,并输入计算机中存储。压气机特性中,nk=fi ( ., mk兀k), nTK=f2(,兀k)】,在协作运行区域适当划分网格,纵坐标以上协作运行区 mk间分N等分,横坐标上将协作区间分M等分,即i=l, 2, 3,N,共有N个 入值,j=l, 2, 3,M,共有M个mk值。然后将这些N和M个数据用一维数 组存储。此外,读出图中网格点上对应的nk、iitk值,并分别用二维数组存储,记 为(n3,j、(nTK)i,j。离散压气机特性曲线时,网格点数不能太少,否
6、那么山离散点恢 复原来曲线时会消失较大的计算误差。例如可取N=16, M=20,这时,(nJ,j=16 X20=320个,(nTK)i,尸16X20=320个,故总共存储数据值为676个。计算中依据已 知的mk和口值采用拉格朗日二元3义3点插值求出对应的nk、%值。为了使在喘 振线四周亦能顺当进行插值计算,在喘振线上方的网格点可用曲线延长的假想值予 以填满。留意,网格点数目也不应太多,否那么占用计算机存储单元数过多,离散及 数据处理工作量过大。网格法的缺点是数据处理工作量较大,曲线离散过程中不行 避开地会带进人为误差。2 .分析计算法分析计算法的基础是曲线拟合和函数靠近理论。所谓曲线拟合,就是
7、依据 点的数据(xi,yi), i=l, 2,n,查找一条近似曲线来反映数据的实际变化规律。 与插值法不同,不要求近似曲线通过几个己知点,而只要求曲线能反映数据的基本 趋势。由于给出点的数据本身有误差(试验误差、取值误差),强求所求曲线通过各己 知点,就会使曲线保存这些误差,反而影响曲线拟合精度。下面简洁说明一一曲线 拟合的理论。离散函数y=f (x)在n个点上的取值为:XI, X2, Xnynynyi, y2,要求出该函数的近似表达式。设所求的表达式为一个次数低于n-1的多项式, 即 g(x)= ao+aixi+amxm m W值及有关叠代初值算出增压器压比n k-0由本次算得的攵k采用拉格
8、朗日二元3义3点插值,算出压气机特性对应的Rk(4)由本次算得的n k及原来的oik、Wr采用上式算出一个新的兀k用这一新冗k即可算 出一个新的增压压力p:值:。p = Po-兀卜。将新算出的与原来的值比拟,是否满意计算精度要求。(6)计算泯轮效率t时需要计算叶轮圆周速度u,计算u要增压器转速水o通常做法是在计算出的同时,依据.、7值调用拉格朗日二元3X3点插值求 p*mk 兀 k出对应的aK值。第3章空冷器的计算及其模型的建立为了降低增压后的空气温度,增大进气密度,使柴油机的循环进气量增多,一般在 压气机出口和柴油机入日之间安置空气中间冷却器,这样可以在柴油机的热负荷不 增加甚至降低,机械负
9、荷增加不多的前提下,较大幅度地提高柴油机功率和经济性, 降低排放。3. 1增压空气中冷的作用增压的目的是通过提高进入气缸的空气密度以增加充气量。空气在压气机中的 温度提升值取决于增压比、压气机效率和压气机中的散热损失。假如压气机的增压 比高,又不予冷却,那么空气在压气机中经过压缩以后温度提升,使空气密度减小。 采纳增压空气中间冷却的主要目的有以下两个:1 .提高进气空气密度,从而可提高柴油机的功率空气在增)压器中被压缩后,压力和温度同时提升,使空气密度提高受到限制,影响 增压效果。在抱负状况下进行绝热压缩,这时增压器绝热效率为100肌密度与压比 关系如下假设取9=20。C)并以数值代入,可得到
10、表3-1中的计算结果。由此可见,即使在抱负的状况下,密度比的提升也小于压比的提升。只有在等 温压缩的状况下(n=l),密度提升的速度才能与压比提升的速度相同。实际上,在增压器的压缩过程中会消失种种损失(肌水1,因此,增压器出口的 温升比抱负状况的大,其提升的幅度取决于压比的大小及压气机效率的凹凸。假如压气机的增压比为2、压气机效率为75%,把进气冷却至90、65,40, 空气密度相应增加8%、密%、25%O假如增压比为3、效率为75%,把进气冷却到上 述温度,那么空气密度就分别增加25%、35%、45%。可见采纳进气中冷是很有利的。 当增压比为2. 5、增压器的效率从60%提高到80%时,空气
11、密度就增加6%,.降低柴油机的循环平均温度,提高其牢靠性和使用寿命资料no64说明,当进气温度降低io。时,柴油机的循环平均温度将降低2530C, 进气冷却对于热负荷较大的柴油机作用更大,进气中冷后循环温度降低,从而使冷 却水带走的热量更少,增大了柴油机的输出功率。综上所述,在增压柴油机上采纳进气中冷,是在不影响柴油机经济性状况下提 高功率的手段。现以“远大湖”主机为例:主机型号MAB B&W S80MC ,增压压力为3. 502bar, 增压器效率n xO.634,大气压力P=l. 022 bar,大气温度t。=21 空气经空冷器 后降到50o与非增压时相比,该柴油机通过增压和冷却共使功率大
12、约增加了 3. 19-1 =2. 19=219% 其中:增压的份额为47. 5%,冷却占的份额为52. 5% 由此可一见,进气冷却的作用是很显著的。3. 2空冷器的计算通过上面的分析我们知道,中、高增压柴油机通常采纳空冷器,使从压气机出 来的空气,经空冷器冷却后温度下降,使气缸在相同的进气压力下进气量增加,达 到提高功率和降低热负荷的目的。空冷器的计算,主要是计算空冷器出口处的空气 温度T和压力P。计算简图3-2如下, 图3-2空冷器计算简图图中增压器出口处的空气温度为Tk,空冷器出口处的空气温度为Ts。用下标s代表 空气、“W”代表冷却水,“i”表示入口状态、“0”表示出口状态。增压空气散出
13、的 热量吆、冷却水带走的热量也空气传给水的热量旦分别用以下各式一表示:dtdQs dQdtdt(3-1)dt dt旦丝(3-2)dt dtdQa=ka5(3-3)上式中,传热系数K、传热面积Ak均作为常数处理。 由热平衡关系可知:旦吆=盘=丝J)dt dt dt dt故传热系数K与传热面积Ak的乘积可表示为(3-5)式中ATsw称为当量平均温度,其定义是:空冷器中由Tsk引起的热交换量等于由逐 点变化的温度差AT引起的热交换量,如图3-3所示。的数值用下述方法求得。 图3-3气、水温度随传热面积A的变化单位时间内通过微元传热面积dA的热流量为:d (也)二K dA AT(3-6)dt式中T一在
14、微元传热面积dA上两种介质之间的温差;如图3-3所示,沿途不断 变化。由(3T)及(3-2)得:由此得:dQydt)dT ks = ad Tdm 1-dT cdt(3-7)将(3-7)中的两式相减,并把(3-6)代入得:D(Tw-Tks)=d(AT)=K - dA - AT1 1dCpw丁 RCps(3-8)(3-8)d(AT)/AT=K dA dCp”, dms%cdt dt将式(3-8)在(T%n至(AT)皿之间积分,并设K为常数,那么得以下方程:In Tmax =K A VTm m采用(31)、61 Cp、 61m dt dt 5(3-2) (3-4)得:二 TwTwf-Tk+TsdCp
15、w dms%r_ dt dt 3s将上式代入(3-9)得:dQdtInIn二7Tw厂Tk+7K akdQdt采用(3-3) (3-4)得当量平均温度Tsw的计算公式为:T SW= rrtrrt rri . rriIH/ - 1 SInTkTnvT -TJL s -L wi将式(3-10) (3-2)代入式(3-5),整理后得到空冷器出口空气温 度T、计算式为:Tk-Tnv(3-11)+ TJL wiexpc(TT +T -T ) k JL s JL JL hy?/dm,. (T _T 出 CpwVZ wo JL wt/由式(3T) (3-2)得出空冷器出口冷却水温度Tw。计算公式为:dffbs
16、 QTwo=Twi+-(T.-T )(3-12)dm Ukis)dt假设在空冷器的设计点上运彳亍,温度Tk、Ts、Tmi、Tw。、町空、 dt dtdQ等可测量得到,是参数,这样可以采用式(3T)算出上并可算出系数Cs.。dt柴油机在其他工况运行时虽然e驾、也有变化,但Cs*、值仍旧可近似地认为不dt dt变。当空冷器在非设计工况运行时,从式(371) , (3T2)可知,等号右边包含未知数Ts Two,因此要进行叠代计算。Tk、Twi、4且艮、Cps、CPW件为数据输dt入,需参考原设计参数选定。卜八用叠代计算算得。除以上方法外,有一种简化计算法亦可用于空冷器出口空气温度的计算。这种方法是引
17、入空冷器冷却系数(冷却效率)nc后,按下式计算Ts:Tc=Tk-nc(Tk-Twi)(3-13)式中,nc=0.7飞.9,视中冷程度而定。在工作过程模拟计算中nc通常视为常数。图3-4小】为某船用柴油机空冷器的冷却系数nc曲线,图中.为设计工况时的空 mso气流量(,二勿组),-为冷却水流量(.二立遇)。TYlso dtTYlso dt图3-4某船用柴油机空冷器的冷却系数nc曲线空冷器的试验说明,空气流量对nc影响较大。由图知当冷却水流量保持不变时, n c随空气流量减小而提升。试验还指出进口空气温度和冷却水温度对其影响较小。 对一于动态特性的模拟计算,可以应用稳态的冷却效率曲线。增压空气流过
18、空冷器 时压力损失如发s,可以按下式计算:州S二发 丫。式中,加S。为空冷器在设计工 msyflso y况时的压力损失,一般可取0.30.5kPa.增压空气流过空冷器后出口压力Ps,按下 式计算:P、=Pk -仪S3空冷器数学模型的建立空冷器是换热器的一种,是把热量从较热的流体(空气)传给较冷流体(冷却水如 海水)的设施。它是一个多容掌握对象,在冷却水流量较大的状况下,可把冷却器看 作三个储蓄容积。首先,流过空冷器的空气是一个储蓄容积,它储存经过压气机压缩所得到的热 量:空气储存的热量要放给金属壁,金属壁是第.二个储蓄热量的容积:第三个储蓄容 积是海水,它储存的是金属壁传给它的热量。在初始平衡
19、状态下,空气所得的热量 不变,海水出口温度和调整阀阀位不变,海水带走的热量不变,空气的温度稳定在 某个值上。在t=to,时刻,对空冷器施加一个阶跃扰动,如海水温度变化,主机负 荷变化等。TYk如海水温度升一高,海水温度冷却力量下降,带走的热量减小。冷 却器中海水热量增加,海水出日温度要提升。海水的提升速度为:G ?=Q l。或=式中:G海水热容量系数;Ti 一海水温度;t一时间;Qi一初始状态下海水带走的热量;Q海水对金属壁的放热量。与金属壁的换热方式主要为对流换热,其换热量为;Q 二 ,,(3-15)2 T.-r. T,-r,JL Ra、式中:海水侧金属壁温度;a 1对流换热过程的换热系数;
20、Ri:一对流换热过程中的热阻。金属壁的温度会提升。由于金属 金属的热传导系数很大,并且板 我们可以近似地把金属壁两侧壁金属壁接受海水放热后,把这局部热量储存起来, 壁传热有热阻,板内外壁的温度是不同的。但是, 式换热器的壁特别薄,而温度的变化又不大的话, 面温度看成是相等的。这样,金属壁温度的提升速度为 占 ?。或 & sT(s)= a -。(3-14)(3-14)(3-16)式中:t = t 金属壁内外壁的温度;。一金属壁对空气的放热量。金属壁对空气换热的方式主要也是对流,其放热的热流量为式中:a 2金属壁对空气放热的放热系数;R2:一对流换热过程中的热阻。(3-18)空气把金属壁传给它的热
21、量储存起来,空气温度会提升,温度提升速度为式中Q2, 丁2分别表示各种帮助及柴油机放给淡水的热量和空气温度。第4章环境温度变化对压气机和空冷器的影响通过前面对压气机和空冷器的分析可知,船舶柴油机各局部是在某一确定的静 态条件下设计的。例如对于无限航区的船舶,设计计算空冷器的额定热负荷时,把 环境条件选为热带条件,即:海水温度32。压气机入口温度45。(2。在船用条件下, 一般来说,大气压力变化较小,大气参数中变化大的是温度。环境温度的变化必定 引起船舶柴油机性能的变化。特殊是对废气涡轮增压系统,当外界环境温度发生变 化时,涡轮增压器的特性会发生变化。因此,争论涡轮增压器对环境条件的适应性, 实
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 环境温度 涡轮 增压 影响
限制150内