Нагнетательные двигатели


виды, устройство и принцип работы

Механический наддув является одним из способов повысить мощность двигателя. Главным элементом такой системы является механический нагнетатель (Supercharger или compressor). Он представляет собой компрессор, приводимый в действие за счет вращения коленчатого вала. Установка механического нагнетателя обеспечивает увеличение мощности двигателя до 50%. Supercharger осуществляет забор воздуха через воздушный фильтр, сжимает и далее отправляет его во впускной коллектор ДВС, что и способствует повышению мощности последнего.

Конструкция и принцип работы механического наддува

В современном автомобилестроении применяется несколько видов систем механического наддува, каждая из которых имеет свои конструктивные особенности и принцип нагнетания воздуха.

Устройство механического наддува

Схема работа механического наддува

Система механического наддува состоит из следующих элементов:

  • механический нагнетатель (компрессор)
  • интеркулер
  • дроссельная заслонка
  • заслонка перепускного трубопровода
  • воздушный фильтр
  • датчики давления наддува
  • датчики температуры воздуха во впускном коллекторе

Управление механическим нагнетателем осуществляется при помощи дроссельной заслонки, которая при высоких оборотах открыта. При этом заслонка трубопровода закрыта, и весь воздух поступает во впускной коллектор двигателя. Когда двигатель работает на низких оборотах, дроссельная заслонка открыта под небольшим углом, а заслонка трубопровода открыта полностью, что обеспечивает возврат части воздуха на вход компрессора.

Поступающий из нагнетателя воздух проходит через интеркулер, что снижает температуру нагнетаемого воздуха примерно на 10°C, способствуя более высокой степени его сжатия.

Типы привода механического наддува

Ременной привод кулачкового компрессора

Передача крутящего момента от коленчатого вала к механическому компрессору может осуществляться различными способами:

  • Система прямого привода — предполагает  монтаж компрессора непосредственно на фланец коленчатого вала двигателя
  • Ременный привод. Передача усилий реализуется при помощи ремня. Различные производители используют свои виды ремней (плоские, клиновидные или зубчатые). Системы с использованием ремня характеризуются коротким сроком службы и вероятностью возникновения проскальзывания.
  • Цепной привод. Имеет аналогичный ременному приводу принцип.
  • Шестеренчатый привод. Недостатком такой системы является повышенный шум и большие габариты.

Виды механических компрессоров

Центробежный компрессор

Каждый тип привода наддува имеет свои эксплуатационные особенности. Всего различают три вида механических нагнетателей:

  • Центробежный нагнетатель. Самый распространенный вид механических нагнетателей. Основной рабочий элемент системы — колесо (крыльчатка), которое имеет сходную конструкцию с компрессорным колесом турбины. Оно вращается со скоростью порядка 60 000 оборотов в минуту. При этом воздух всасывается в центральную часть компрессорного колеса в режиме высокой скорости и малого давления. Пройдя через лопасти нагнетателя, воздух подается во впускной коллектор, но уже в режиме низкой скорости и высокого давления. Этот вид нагнетателя используется в комплексе с турбокомпрессорами для устранения турбоямы.
  • Винтовой нагнетатель. Представляет собой систему из двух вращающихся шнеков (винтов) конической формы. Воздух, попадая в более широкую часть, проходит по камерам компрессора и, благодаря вращению, сжимается и нагнетается в патрубок впускного коллектора. Такие системы применяются в основном на спортивных и дорогостоящих автомобилях, поскольку достаточно сложны в изготовлении. Их преимущество — высокая эффективность работы.
  • Кулачковый нагнетатель (roots). Один из первых видов механических нагнетателей. Конструктивно он представляет собой два ротора со сложным профилем сечения. Оси вращения роторов соединяются двумя одинаковыми шестернями. При вращении системы воздух перемещается между стенками корпуса и кулачками, в результате чего происходит его нагнетание во впускной трубопровод. Недостатком этой системы является образование избыточного давления, что провоцирует сбои в работе наддува. Для устранения этого явления в конструкции кулачкового нагнетателя предусматриваются либо муфта с электрическим приводом (управление с отключением нагнетателя), либо перепускной клапан (без отключения нагнетателя).
Винтовой нагнетатель

Механические нагнетатели довольно часто применяются на автомобилях марок Cadillac, Audi, Mercedes-Benz а также Toyota.  При этом кулачковые и винтовые компрессоры устанавливаются преимущественно на мощных спортивных автомобилях с бензиновыми двигателями, а центробежные входят в систему двойного турбонаддува для дизельных моторов.

Преимущества и недостатки схемы с механическим нагнетателем

В сравнении с турбонагнетателем механическая система наддува приводится в движение не отработавшими газами двигателя, а за счет вращения коленчатого вала. Это означает, что, с одной стороны, мощность мотора увеличивается, а с другой — возникает дополнительная нагрузка, отбирающая, в зависимости от вида компрессора, до 30% производительности двигателя. Также минусом системы является высокий уровень шума, который создает привод системы.

Использование механического наддува на повышенных оборотах провоцирует более быстрый износ деталей двигателя, а потому они должны быть изготовлены из материалов повышенной прочности.Основным достоинством механического привода является низкая стоимость изготовления (в сравнении с турбонаддувом), простота монтажа, а также мгновенный отклик системы на повышение оборотов двигателя. Так системы с винтовыми и кулачковыми компрессорами обеспечивают высокую динамику разгона, а центробежные нагнетатели стабильную работу двигателя на высоких скоростях.

Помимо привода от коленчатого вала двигателя, механический наддув может работать за счет отдельного электродвигателя. В этом случае потери мощности мотора удается избежать.

techautoport.ru

Сд.04 Тепловые двигатели и нагнетатели

  1. Принципы действия основных типов нагнетателей (центробежный, осевой, вихревой, поршневой, ротационный, струйный, эрлифт).

1) Лопастные нагнетатели. Рабочим органом является вращающееся колесо, снабжённое лопастями. Передача энергии осуществляется путём динамического взаимодействия лопастей колеса с жидкостью. В свою очередь эти нагнетатели подразделяются на 3 типа: центробежные, осевые, вихревые.

а) центробежные. При работе нагнетателей жидкость в межлопастных каналах, вращаясь вместе с колесом, выбрасывается под действием центробежных сил в плавно расширяющийся отвод и далее в диффузор, в котором скорость понижается, а давление повышается.

1-подвод жидкости;

2-корпус;

3-рабочее колесо: а-основной диск, б-покровный диск, в-рабочая лопасть, г-ступица;

4-спиральный отвод жидкости, совмещённый с корпусом;

5-вал;

6-диффузор.

Вокруг ступицы рабочего колеса образуется область с пониженным давлением, благодаря чему обеспечивается постоянный приток жидкости через подвод к колесу.

б) осевой.

1-конфузор

2-цилиндрический корпус

3-диффузор

4-лобовой обтекатель

5-ступица колеса

6-лопасть

7-двигатель

8-хвостовой обтекатель

В осевом нагнетателе рабочую лопасть представляют как элемент многозаходного винта. Колесо, вращаясь, взаимодействует со средой и перемещает её в осевом направлении. Наличие обтекателей улучшает работу машины из-за уменьшения гидравлического сопротивления. Конфузор обеспечивает плавный вход жидкости, а в выходном диффузоре скорость понижается, а давление возрастает.

в) вихревой.

1-всасывающий патрубок

2-отвод для жидкости в корпусе

3-рабочие лопатки (прямые)

4-рабочее колесо (ротор)

5-нагнетательный патрубок

6-разделитель потоков

7-вал

При вращении рабочего колеса, жидкость из межлопаточных каналов выбрасывается центробежными системами в отвод в корпусе нагнетателя. Окружная скорость движения жидкости при выходе из межлопастного канала повышается, и она больше, чем окружная скорость в отводе. При смешении этих потоков происходит обмен импульсами и в направлении движения колеса давление жидкости возрастает. В виду неразрывности течения жидкости, жидкость из отвода вновь поступает в межлопастные каналы. Т.о. образуются вихревые течения. Отвод заканчивается отводящим патрубком и разделителем патрубков.

2) Объёмные нагнетатели. Передача механической энергии перекачиваемой среде осуществляется суммированием объёма рабочих камер. Нагнетатели подразделяются на 2 типа: поршневые, ротационные.

а) поршневой.

1-всасывающий патрубок

2-всасывающий клапан

3-рабочая камера

4-нагнетательный клапан

5-нагнетательный патрубок

6-цилиндр

7-поршень

8-шток

Недостатком поршневых насосов является неравномерность подачи.

б) ротационный. Двухпластинчатый насос.

1-всасывающий патрубок

2-нагнетательный патрубок

3-статор (корпус)

4-рабочая пластина

5-ротор

6-пружина

Ротор имеет эксцентриситет е относительно статора. Две пластины прижимаются к статору пружиной и образуют 2 камеры а и б. При вращении ротора жидкость всасывается в рабочую камеру а, а из камеры б жидкость вытесняется.

    1. Струйные нагнетатели.

1-подвод рабочей жидкости

2-приёмная камера

3-всасывающий трубопровод

4-камера смешения

5-диффузор

6-нагнетательный трубопровод

7-сопло

studfiles.net

Тема 9. Нагнетательные машины

94

Тема 9. Нагнетательные машины

1. Виды и классификация нагнетателей

2. Применение нагнетательных машин

3. Рабочие параметры нагнетательных машин

4. Основы теории центробежных нагнетателей

5. Действительные характеристики центробежного нагнетателя при постоянной частоте вращения

6. Подобие центробежных машин. Формулы пропорциональности

7. Регулирование подачи центробежных нагнетателей

8. Сводные графики полей (зон) рабочих характеристик нагнетателей

9. Параллельное и последовательное соединения нагнетателей

10. Центробежные насосы

11. Центробежные вентиляторы

12. Центробежные компрессоры

13. Поршневые насосы

14. Поршневые компрессоры

15. Газокомпрессорные станции 59

15.1. Назначение и описание компрессорной станции

15.2. Компоновка газоперекачивающих агрегатов на станции 62

15.3. Нагнетатели природного газа. 64

15.4. Электроснабжение газотурбинных КС и ГПА 65

15.5. Обслуживание агрегата и систем КС в процессе работы 67

15.6. Система маслоснабжения КС и ГПА, маслоочистительные

машины и аппараты воздушного охлаждения масла 69

15.7. Устройство и работа системы управления 75

15.8. Работа ПЭВМ АРМ ОПЕРАТОРА 78

16. Насосная станция перекачки нефти 81

17. Подбор насосного оборудования и режимы его работы 88

18. Насосное оборудование западных фирм 100

19. Анализ и сравнение регулируемых электроприводов 103

1. Виды и классификация нагнетателей

Нагнетателями называются машины, служащие для переме­щения жидкости и газов и повышения их потенциальной и кине­тической энергии.

Известно, что большинство современных технологических про­цессов связано с перемещением потоков жидких и газообразных сред, и поэтому нагнетатели имеют очень широкое применение во всех отраслях промышленности, сельском и коммунальном хо­зяйствах.

В зависимости от вида перемещаемого рабочего тела нагнета­тельные машины подразделяются на две большие группы: насосы — машины, подающие жидкости; вентиляторы и компрессоры — машины, подающие воздух и технические газы.

Вентилятор — машина, перемещающая газовую среду при сте­пени повышения давления ер < 1,15 (степень повышения давле­ния ер — отношение давления газовой среды на выходе из маши­ны к давлению ее на входе).

Компрессор — машина, сжимающая газ с ер » 1,15 и имеющая искусственное (обычно водяное) охлаждение полостей, в кото­рых происходит сжатие газов.

Согласно ГОСТ 17398—72 нагнетатели (насосы) подразделя­ются на две основные группы: насосы динамические и объем­ные.

В динамических нагнетателях передача энергии жидкости или газу происходит путем работы массовых сил потока в полости, постоянно соединенной с входом и выходом нагнетателя.

В объемных нагнетателях повышение энергии рабочего тела (жидкости или газа) достигается силовым воздействием твердых тел, например поршней в поршневых машинах в рабочем про­странстве цилиндра, периодически соединяемым при помощи клапанов с входом и выходом нагнетателя.

Рис. 1. Классификация нагнетателей

Классификация нагнетателей производится также по конструк­тивным признакам, давлению, развиваемому машиной, назначению в технологическом процессе.

На рис. 1 представлена классификация нагнетателей по принципу действия и конструктивным признакам.

Рис. .2. Центробеж­ный нагнетатель:

1 — корпус; 2 — трубо­провод; 3 — напорный патрубок; 4 —лопатки; 5 — патрубок

На рис. 1.2 приведена схема динамического центробежного нагнетателя. Рабочее колесо, снабженное изогнутыми лопаткам 4, вращается двигателем, расположенным в кор­пусе 1. Рабочее тело (жидкость или газ), вхо­дящее в центральную полость колеса через патрубок 5, заполняет весь корпус и линейные каналы колеса между лопатками 4. При вращении рабочего колеса под действи­ем центробежных сил масса рабочего тела, находящегося и этих каналах, повышает энер­гию потока и выбрасывается потоком в спиральный канал, охватывающий рабочее колесо. Далее поток поступает в напорный парубок 3 и трубопровод 2.

Процесс всасывания и подачи в таких нагнетателях происходит непрерывно и равномерно (при постоянной скорости вращения рабочего колеса).

Для подачи жидкостей и газов применяются также динамическиелопастные нагнетатели осевого типа (рис. 3). Нагнетатель со­стоит из колеса с рабочими лопастями 4, насаженными под опре­деленным углом на ступицу колеса с обтекателем 1, корпуса 2 и спрямляющего лопаточного аппарата 5, неподвижно закрепленно­го в корпусе. При вращении колеса лопатки передают энергию ра­бочему телу и перемещают рабочее тело (патрубок 3 — всасываю­щий, патрубок 6 — напорный).

Рис. 3. Осевой нагнетатель: 1— обтекатель; 2 — корпус; 3 —всасывающий патрубок; 4 — лопасти; 5 — лопаточный аппарат;6 — напорный патрубок

На рис. 4 показана схема вихревого нагнетателя. В корпусе 4 концентрично располагается колесо с плоскими радиальными лопатками 3. Рабочее тело поступает через всасывающий патрубок в кольцевой канал 2, увлекается лопатками 3, совершая сложное вихревое движение и повышая энергию, выходит через напорный патрубок 1 в трубопровод.

Схема простейшего объемного нагнетателя-насоса приведена на рис.5. Цилиндр 3 и клапанная коробка 7 плотно соединены в единый блок. В коробке размешены всасывающий 5 и напорный 2 клапаны. Поршень 4, двигаясь возвратно-поступательно, произ­водит всасывание и подачу.

Ускорение поршня, двигающегося синусоидально, вызывает появление инерционных сил, влияющих на прочность ходовой системы нагнетателя и вызывающих разрывы сплошности потока. Это ограничивает допустимую скорость вращения кривошипного вала. Поэтому применяются объемные нагнетатели роторного типа, допускающие прямое соединение с высокоскоростными двигате­лями.

Рис. 6 дает представление об устройстве и принципе действия пластинчатого роторного нагнетателя. Массивный ротор 2 с ради­альными прорезями помещен эксцентрично в корпус 1. В прорези вставлены прямоугольные стальные пластинки 7, свободно отжи­маемые до упора в корпус центробежными силами. При враще­нии ротора двигателем рабочее тело будет всасываться через пат рубок 5 и подаваться через полости переменного сечения 6 и 3 в напорный патрубок 4 трубопроводной системы. Нагнетатель реверсивен: при изменении направления вращения ротора нагнета­тель меняет направление потока рабочего тела.

Для перемещения жидкостей и газов в промышленных и лабо­раторных установках находят применение струйные нагнетатели (рис. 7). Поток рабочей жидкости выходит с высокой скороcтью через суживающееся сопло 1 в камеру 2, где устанавливается низ­кое давление. Под влиянием разности давлений на поверхности жидкости и в камере происходит подъем жидкости по трубе 5 и смешение ее с рабочей жидкостью, выбрасываемой из сопла. Смесь жидкостей — рабочей и поднимаемой по трубе 5— транспортиру­ется через диффузор 3 и напорную трубу 4 на высоту Нг.

Рис. 4. Вихревой нагнетатель:

1— напорный патрубок; 2 — кольцевой канал; 3 — лопатки; 4 — корпус

Рис. 5. Поршневой нагнетатель:

1— нагнетательный трубопровод; 2 — на­порный клапан; 3 — цилиндр; 4~ поршень; 5— всасывающий клапан; 6— всасывающий трубопровод; 7 — клапанная коробка

Рис. 6. Роторный нагнета­тель:

1 — корпус; 2 — ротор; 3, 6 -полости переменного сечения; 4— напорный патрубок; 5— вса­сывающий патрубок; 7 — подвижные

пластинки

Рис. 7. Струйный нагнета­тель: 1— сопло; 2 — камера; 3 — диффузор;

4 — напорная тру­ба; 5— труба

В системах промышленного водоснабжения, нефтедобычи, сель­ском и коммунальном хозяйствах применяются нагнетатели осо­бого типа — эрлифты и газлифты, использующие для подъема жидкостей сжатый воздух или газ (рис. 8). Подъемники такого типа применяются для подъема воды и нефти из глубоких буро­вых скважин.

В обсадную трубу 1 опущена подъемная труба 2. Воздух или тех­нический газ поступает из компрессора К по воздухопроводу (по­казанному пунктирной линией) в нижний конец подъемной тру­бы через барботажное устройство. Здесь образуется пузырьковая смесь воздуха или газа с жидкостью. Плотность этой смеси мень­ше плотности чистой жидкости в обсадной трубе.

По закону сообщающихся сосудов столб жидкости высотой Н, в обсадной трубе вытесняет столб смеси в подъемной трубе на высоту Н2. При ударе об отбойный конус 4 воздух (газ) из смеси удаляется, жидкость собирается в резервуаре 3 и направляется насосами в трубопроводную систему.

studfiles.net

Учебное пособие "Тепловые двигатели и нагнетатели" / Открытый урок

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Тепловые двигатели и нагнетатели» изучается в цикле специальных дисциплин и является одной из базовых дисциплин для студентов направления подготовки «Теплоэнергетика и теплотехника» профиля «Промышленная теплоэнергетика».

В учебном пособии рассматриваются теоретические основы и примеры ориентировочных расчётов насосов, компрессоров и турбин, используемых в энергетическом хозяйстве промышленных предприятий.

Материал учебного пособия соответствует программе подготовки бакалавров по направлению 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» для профиля «Промышленная теплоэнергетика».

1 ПРОГРАММА КУРСА

1.1 Цель и задачи дисциплины

Изучение курса «Тепловые двигатели и нагнетатели» имеет целью приобретение студентами знаний по устройству, принципу действия и теоретическим основам насосов, вентиляторов, компрессоров и тепловых двигателей для правильного их проектирования и эффективной эксплуатации на практике.

Для изучения дисциплины необходимы знания прикладной механики, электротехники, технической термодинамики, гидрогазодинамики и тепломассообмена.

1.2 Требования к уровню освоения содержания дисциплины

В результате изучения дисциплины студенты должны

знать: место и роль нагнетателей и тепловых двигателей, классификацию нагнетателей и тепловых двигателей; схемы поршневых компрессоров; принцип работы и область применения нагнетателей кинетического действия; классификацию вентиляторов; классификацию насосов; центробежные и осевые компрессоры; область применения различных типов тепловых двигателей; классификацию паровых турбин; классификацию и особенности работы турбодетандеров; характеристику турбодетандеров; принцип работы, классификацию и область применения двигателей внутреннего сгорания, двигателей Стирлинга; основные показатели работы двигателей;

уметь: определять конструктивные размеры нагнетателей по заданным производительности и напору, выполнять расчеты характеристик нагнетателей; расчеты систем водо- и воздухоснабжения, расчеты насосных и компрессорных станций и тепловых двигателей.

1.3 Содержание дисциплины

Введение

Место и роль нагнетателей и тепловых двигателей в системах теплоэнергоснабжения промышленных предприятий.

Типы коммуникаций в системах промтеплоэнергетики.

  • Самостоятельное изучение. Усвоить определения тепловых двигателей и нагнетателей, их классификацию.

Раздел 1. Основы теории турбомашин.

Общие сведения о турбомашинах. Определяющие сведения из аэродинамики, основы кинематики и динамики турбомашин. Основное уравнение турбомашины. Анализ плоской решетки профилей. Вихревые потоки в рабочем колесе турбомашины. Теоретическая производительность турбомашины. Теоретические напорные характеристики  турбомашин при постоянной частоте вращения.

Влияние внешнего угла наклона лопатки на величину и характер теоретического напора. Анализ составляющих напора и области использования турбомашин с различными значениями угла наклона лопатки. Напорные характеристики турбомашин с учетом составляющих потерь напора и подачи. Действительные напорные и эксплуатационные характеристики турбомашин. Совместная работа турбомашин, ее целесообразность и особенности. Области использования и эффективность.

  • Самостоятельное изучение. При изучении аэродинамики, основ кинематики и динамики турбомашин при использовании формул следует обратить внимание на коэффициенты, которые зависят от используемой размерности величин. Желательно везде пользоваться системой СИ.

Раздел 2. Компрессорные установки.

Понятие о теоретическом процессе в поршневом компрессоре. Индикаторная диаграмма. Вредное пространство и его влияние на производительность компрессора. Пределы сжатия в одноступенчатом компрессоре. Работа компрессора за цикл при изотермическом, адиабатном и политропном способах сжатия. Графическое сравнение изотермического, адиабатного и политропного сжатия. Действительная индикаторная  диаграмма  поршневого компрессора. Объем засасываемого воздуха. Влияние сопротивления клапанов, всасывающих и нагнетательных трактов.

Определение производительности поршневого компрессора по его размерам. Многоступенчатое сжатие: его необходимость и целесообразность. Индикаторная диаграмма двухступенчатого сжатия, конечная температура, влияние вредного пространства, промежуточное давление. Определение конечной температуры и полной работы в многоступенчатом компрессоре. Основные принципы регулирования поршневых компрессоров. Устройство и принцип действия центробежных компрессоров. Особенности характеристики. Изображение процесса сжатия центробежного компрессора в диаграммах P-V и T-S. Мощность на валу и КПД. Регулирование центробежных компрессоров при обеспечении постоянного давления у потребителя. Зоны неустойчивости и неэкономичной работы. Области использования центробежных компрессоров. Винтовые компрессоры. Конструкция, режимы работы. Индикаторные диаграммы. Достоинства, недостатки, области применения. Ротационные компрессоры, общая характеристика, принципы действия, области применения. Конструкция осевых компрессоров. Характеристики, обеспечение устойчивой работы, избежание «помпажа». Области использования осевых компрессоров.

  • Самостоятельное изучение. Необходимо усвоить отличия параметров компрессоров. Обратить внимание на процессы сжатия, применяемые внутренние КПД в зависимости от наличия или отсутствия охлаждения в процессе сжатия, формулы для расчета машин. Очень важным является вопрос о ступенчатом сжатии. Обратить внимание на различные виды регулирования (при постоянном давлении и постоянной подаче), а также на особенности регулирования поршневых машин.

 

Раздел 3. Насосы.

Общие сведения. Классификация насосов. Лопастные насосы. Максимальная высота всасывания и кавитация. Осевое усилие. Способы уравновешивания осевого усилия. Выбор основных размеров рабочего колеса. Подводы и отводы. Мощность и КПД машины. Способы повышения напора и подачи насосов. Влияние вязкости на параметры насоса. Формы рабочих колес насосов в зависимости от быстроходности. Влияние условий эксплуатации на выбираемую конструкцию насоса. Испытание насосов. Насосные агрегаты и установки. Выбор насосов. Эксплуатация насосов. Насосные станции. Объемные насосы. Схемы, принципы действия, индикаторная диаграмма. Формулы определения подачи. Характеристика. Допустимая высота всасывания. Особенности эксплуатации. Ротационные насосы: шестеренчатые, пластинчатые, поршневые, винтовые. Схемы, конструкции, подача, мощность и КПД. Эксплуатация, области применения.

  • Самостоятельное изучение. Для усвоения теоретических вопросов полезно будет повторить основные уравнения сплошной среды и кинематические соотношения для относительного движения. Очень важно четкое понимание назначения отдельных элементов насоса в связи с происходящими процессами преобразования энергии, смысла отдельных составляющих КПД машины. Студент должен хорошо освоить вопрос о характеристиках насосов и различных способах регулирования подачи. При изучении вопроса о допустимой высоте всасывания следует особо рассмотреть случай горячих жидкостей.

Раздел 4. Вентиляторы.

Общие сведения о вентиляторах. Устройство и принципы действия центробежного и осевого вентиляторов. Характеристика вентиляторов. Зоны устойчивости работы. Влияние самотяги на требуемый напор вентилятора. Регулирование вентиляторов, их выбор. Области использования. Дымососы. Эксплуатационная надежность вентиляторов.

 

  • Самостоятельное изучение. Студент должен хорошо освоить вопрос о характеристиках вентиляторов и различных способах регулирования подачи. Здесь необходимо обратить внимание на отличия некоторых способов регулирования в применении к насосам и вентиляторам.

Раздел 5. Газотурбинные установки.

Общие сведения о ГТУ. Схемы ГТУ, работающие по замкнутому циклу. КПД теоретического цикла ГТУ, абсолютный внутренний КПД цикла ГТУ, мощность ГТУ, удельный расход газа в ГТУ, цикл ГТУ с регенерацией, цикл ГТУ с промежуточным охлаждением сжимаемого воздуха и ступенчатым подводом тепла. Замкнутые схемы ГТУ. Полузамкнутые, вакуумные и бескомпрессорные ГТУ. Особенности работы высокотемпературных ступеней газовой турбины, работа газовой турбины в составе энергетических и приводных газотурбинных установок.

  • Самостоятельное изучение. Рассмотреть схемы турбоустановок, осмыслить связь турбин с остальным оборудованием. Для ГТУ рассмотреть: регенерацию теплоты, ступенчатое сжатие и сгорание, многовальные установки, замкнутые схемы.

Классификация паровых турбин. Баланс энергии и структура КПД турбинной ступени; анализ потерь в характерных сечениях турбины. Работа турбинной ступени в переменном режиме. Диаграмма режимов паровой  турбины. Стандартные параметры пара. Работа и мощность турбинной ступени. Типы потерь в проточной части турбины. Принципиальные схемы паротурбинных установок, принцип работы и схемы паротурбинных установок. Конструкции паровых турбин большой мощности. Конденсационные устройства паровых турбин.

  • Самостоятельное изучение. Необходимо рассмотреть такие средства повышения экономичности ПТУ, как повышение начальных параметров, углубление вакуума, регенеративный подогрев питательной воды, промежуточный перегрев пара, комбинированная выработка теплоты и электроэнергии. Следует провести сопоставление ПГУ и ГТУ.

Раздел 6. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

Схемы двигателей, основные показатели работы двигателей. Назначение, достоинства и недостатки ДВС. Классификация и область применения ДВС. Устройство и принцип действия ДВС. Четырехтактный и двухтактный двигатели. Смесеобразование и воспламенение. Режимные характеристики и тепловая экономичность ДВС. Режимы работы, тепловой баланс, КПД и показатели экономичности. Основы  техники безопасности и экологии при эксплуатации ГТУ, ПТУ, ДВС.

  • Самостоятельное изучение. Следует четко уяснить преимущества и недостатки ДВС, сравнить их с турбинами. Рассмотреть комбинированные двигатели. Требуется вспомнить основные характеристики жидких и газообразных топлив, применяемых в ДВС.

Раздел 7. Заключение.

Перспективы и направления создания конструкций тепловых двигателей и нагнетателей.

  • Самостоятельное изучение. Рассмотрение возможных принципов создания новых циклов нагнетателей и двигателей. Возможные конструктивные решения.

 

1.4 Методические рекомендации по изучению дисциплины

Для изучения дисциплины учебным планом предусмотрены  часы самостоятельной работы студентов. За это время необходимо изучить все разделы программы, выполнить одну расчетно-графическую (контрольную) работу, подготовиться к практическим и лабораторным занятиям.

Для лучшего изучения и усвоения материала используются такие средства, как диафильмы, диапозитивы, плакаты, элементы конструкций по всем разделам дисциплины курса.

Методы обучения: лекции, закрепление теоретического материала на практических занятиях, проведение лабораторных занятий, расчетно-графические задания, самостоятельная работа студентов.

Способы учебной деятельности: индивидуальный раздаточный материал на практических занятиях для  освоения методик расчета процессов в машинах, определения их размеров, показателей и характеристик, решение профессионально-проблемных задач, отчеты и обсуждения результатов проведенных расчетов.

1.4.1 Рекомендации при изучении разделов дисциплины

Введение. Запомнить определение тепловых двигателей и нагнетателей, их классификацию.

Основы теории турбомашин. При использовании формул следует обратить внимание на коэффициенты, которые зависят от используемой размерности величин. Желательно везде пользоваться системой СИ.

Компрессорные установки. Необходимо усвоить отличия параметров компрессоров. Обратить внимание на различные виды регулирования (на постоянное давление и постоянную подачу), а также на особенности регулирования поршневых машин.

Насосы, вентиляторы. Для усвоения теоретических вопросов полезно будет повторить основные уравнения сплошной среды и кинематические соотношения для относительного движения. Очень важное чёткое понимание назначения отдельных элементов нагнетателя в связи с происходящими процессами преобразования энергии, смысла отдельных составляющих к.п.д. машины. Студент должен хорошо освоить вопрос о характеристиках нагнетателей и различных способах регулирования подачи. Здесь необходимо обратить внимание на отличие некоторых способов регулирования в применении к насосам и вентиляторам. При изучении вопроса о допустимой высоте всасывания следует особо рассмотреть случай горячих жидкостей.

Газотурбинные установки (ГТУ). Паротурбинные установки (ПТУ). Рассмотрение схем турбоустановок помогает осмыслить связь турбин с остальным оборудованием. Необходимо рассмотреть такие средства повышения экономичности ПТУ, как повышение начальных параметров, углубление вакуума, регенеративный подогрев питательной воды, промежуточный перегрев пара, комбинированная выработка теплоты и электроэнергии. Для ГТУ рассмотреть: регенерацию теплоты, ступенчатое сжатие и сгорание, многовальные установки, замкнутые схемы. Следует провести сопоставление ПГУ и ГТУ.

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Следует чётко уяснить преимущества и недостатки ДВС, сравнить их с турбинами. Рассмотреть комбинированные двигатели. Требуется вспомнить основные характеристики жидких и газообразных топлив, применяемых в ДВС.

Заключение. Рассмотрение возможных принципов создания новых циклов нагнетателей и двигателей. Возможные конструктивные решения.

open-lesson.net

Нагнетатели. Краткий обзор истории развития нагнетателей. Основные типы и классификация нагнетателей. Рабочие параметры нагнетателей, страница 2

О. Рейнольде (Англия), знаменитый исследователь режимов течения жидкостей, в конструкцию многоступенчатого насоса ввел направляющие аппараты и в 1875 г. получил патент на кон­струкцию насоса, аналогичную современным насосам со ступенями давления.

Распространению динамических центробежных насосов длительное время препятствовало отсутствие высокооборотных двигателей. Лишь в 1889 г. насосостроительная промышленность получила высокооборотный дешевый электродвигатель трехфазного переменного тока, разработанный в Петербурге инженером В. О. Доливо-Добровольским.

В России инженер А. А. Саблуков, построил в 1832 г. центробежный вентилятор, успешно примененный для вентиляции заводских помещений.

 Изобретение поршневого воздушного насоса принадлежит I физику О. Герике (Германия, 1640 г.), доказавшему с помощью построенной им машины существование давления атмосферы. Во второй половине XVIII в. Вилькинсон (Англия) создал двух­цилиндровый поршневой компрессор и Дж. Уатт изготовил поршневую воздуходувку с паровым приводом. Многоступен­чатый поршневой компрессор с охладителями между ступеня­ми сжатия предложен в 1849 г. Ратеном (Германия).

В конце XIX в. и начале XX в. возникло производство центробежных и позднее осевых компрессоров на заводах Парсонса (Англия) и Рато (Франция).

Развитию производства нагнетателей сопутствовала разра­ботка основ их теории. Основное уравнение теории гидравличес­ких турбин, перенесенное ныне и в область динамических на­гнетателей, приведено в классической работе академика Л.Эйлера «Более полная теория машин, приводимых в дейст­вие силою воды», опубликованной во второй половине XVIII в. Теория Эйлера не потеряла своего значения и до настоящего времени.

Выдающиеся работы О. Рейнольдса (Англия), Л. Прандтля (Германия) и научные труды Н. Е. Жуковского (Россия), относя­щиеся к концу XIX в. и началу XX в. привели к созданию современной научной основы построения  нагнетателей.

Развитию теории и практики компрессоро– и насосостроения способствовали классические труды К. Пфлейдерера «Лопаточ­ные машины для жидкостей и газов», А. А. Ломакина «Центро­бежные и пропеллерные насосы», И. А. Степанова «Центробеж­ные и осевые компрессоры, воздуходувки и вентиляторы», Карассика и Картера «Центробежные, насосы».

В последние десятилетия развитие науки о компрессорах и насосах направлено в основном на совершенствование проточ­ной части машин, уточнение методов расчета, создание базы данных унифицированных элементов и на их основе систем автоматического проектирования.

4.2. Основные типы и классификация нагнетателей по различным признакам и назначению

Нагнетатели – машины, служащие для перемещения жидкостей или газов и повышения их потенциальной и кинетической энергии. Различают две группы: насосы и компрессоры.

Нагнетатели можно классифицировать по

– конструкции;

– способу действия;

– развиваемому давлению;

– роду перемещаемой среды.

В пределах каждой названной классификационной группы нагнетатели могут подразделяться по вторичным признакам.

Насосы (ГОСТ 17398-72) подразделяют на две основные группы: насосы динамические и насосы объемные.

Такое подразделение принято для всего класса машин – нагнетателей, независимо от рода перемещаемой ими среды (рабочего тела).

Динамические нагнетатели – повышают энергию жидкости или газа путем использования работы массовых сил потока в полости, постоянно соединенной с входом и выходом нагнетателя.

Объемные нагнетатели – повышают энергию рабочего тела силовым воздействием твердых рабочих органов, например, поршней в поршневых машинах, в рабочем пространстве цилиндра, который периодически соединяется с входом и выходом нагнетателя.

На рис. 4.1 приведена схема возможной классификации нагнетателей. Откуда следует, что нагнетатели можно разделить по типу перерабатываемого рабочего тела: для жидкостей и для газов.

На рис.4.2 – 4.7 приведены схемы основных типов нагнетателей.

vunivere.ru

Классификация нагнетателей и тепловых двигателей

Классификация нагнетателей:

Нагнетатель - гидравлическая машина, в которой происходит преобразование механической работы в механическую энергию рабочей среды. Основное назначение нагнетателя - повышение полного давления перемещаемой среды.

Нагнетатели:

---динамические

---объемные. Динамическим нагнетателем будем называть машину, повышающую энергию жидкости или газа путем использования работы массовых сил потока в полости, постоянно соединенной с входом и выходом нагнетателя.

В объемных нагнетателях повышение энергии рабочего тела достигается силовым воздействием твердых рабочих тел.

Рассмотрим основные виды нагнетателей:

Насосы

Насосы – гидравлические машины для подъема и перемещения жидкостей.

Насосы:

---лопастные (центробежные, осевые, вихревые)

---объемные (поршневые, плунжерные)

---ротационные (шестерёнчатые, шиберные, винтовые)

---струйные (инжекторы и эжекторы).

В объемных насосах передача энергии производится принудительным воздействием рабочего тел на перемещаемую среду и ее вытеснением. В лопастных насосах преобразование мех. энергии в гидравлическую производится вращающимся колесом, снабженными лопастями.

Вентиляторы

Вентиляторы - это механические устройства, служащие для перемещения воздуха по воздуховодам, или непосредственной подачи либо отсоса воздуха из помещения. Перемещение воздуха происходит из-за создания перепада давления между входом и выходом вентилятора.

Вентиляторы подразделяются на типы по нескольким показателям:

1. По кострукции - осевые - центробежные - тангенциальные 2. По условиям работы - обычные - термостойкие - коррозионностойкие - взрывозащищенные - пылевые   3. По создаваемому полному напору - низкого давления (до 1 кПа) - среднего давления (от 1 до 3 кПа) - высокого давления (от 3 до 12 кПа) 4. По способу установки - обычные (устанавливаются на опоре - фундаменте, раме и т.п.) - канальные (устанавливаются в воздуховоде) - крышные (устанавливаются на крыше здания)  

Компрессоры

Компрессором называют воздуходувную машину, предназначенную для сжатия и подачи воздуха или какого-либо газа под давлением не ниже 0,2 МПа.

Объемные компрессоры работают по принципу вытеснения, когда давление перемещаемой среды повышается в результате сжатия. К ним относятся поршневые и роторные компрессоры.

Динамические компрессоры работают по принципу силового действия на перемещаемую среду. К ним относятся лопастные (радиальные, центробежные, осевые) нагнетатели и нагнетатели трения (вихревые, дисковые, струйные и т.п.).

Лопастныминазывают компрессоры, в которых среда перемещается за счет энергии, передаваемой ей при обтекании лопастей рабочего колеса.

Классификация тепловых двигателей:

Тепловые двигатели – это машины, в которых тепловая энергия рабочей среды преобразуется в механическую работу.

Тепловые двигатели:

1. Турбины: - паровые - газовые 2. ДВС - дизельный - бензиновый - карбюраторный - инжекторный 3. Двигатель Стирлинга 4. Ракетные 5. Гибридные  

Паровые турбины. Пар, образующийся в паровом котле, расширяясь, под высоким давлением проходит через лопатки турбины. Турбина вращается и производит механическую энергию, используемую генератором для производства электричества.

Газовая турбина, тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу. Двигатель Стирлинга - двигатель внешнего. В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает внутри цилиндров и тепловая энергия, выделяющаяся при этом, преобразуется в механическую работу.

Компрессоры: типы, КПД, степень повышения давления

Компрессором называют воздуходувную машину, предназначенную для сжатия и подачи воздуха или какого-либо газа под давлением не ниже 0,2 МПа.

Объемные компрессоры работают по принципу вытеснения, когда давление перемещаемой среды повышается в результате сжатия. К ним относятся поршневые и роторные компрессоры.

Динамические компрессоры работают по принципу силового действия на перемещаемую среду. К ним относятся лопастные (радиальные, центробежные, осевые) нагнетатели и нагнетатели трения (вихревые, дисковые, струйные и т.п.).

Лопастными называют компрессоры, в которых среда перемещается за счет энергии, передаваемой ей при обтекании лопастей рабочего колеса. Лопастные компрессоры: центробежные и осевые. В центробежных компрессорах среда перемещается через рабочее колесо от центра к периферии, а в осевых - через рабочее колесо в направлении его оси.

Простейшая классификация компрессоров представлена на рисунке:

КПД компрессоров.

В энергетике под КПД обычно понимают отношение полезно используемой энергии ко всей затраченной. И чем выше процент полезно используемой энергии из всего её затраченного количества, тем выше КПД. В случае компрессорных машин такое определение КПД оказывается неприемлимым.

Поэтому для оценки степени совершенства реальных компрессорных машин их сравнивают с идеальными. При этом для охлаждающих компрессоров вводится изотермический КПД:

ηиз =lиз / lд =Nиз/Nд

где:

lиз - работа на привод идеального компрессора при изотермическом сжатии,

lд - действительная работа на привод реального охлаждаемого компрессора,

Nиз,Nд - соответствующие мощности приводных двигателей;



infopedia.su

В погоне за мощностью: Нагнетатели

Нагнетатель как радикальное средство дать пинок под зад своему автомобилю

Набор «Наддуй свой двигатель сам»

Как мы писали в предыдущем номере, увеличить мощность двигателя можно единственным способом — сжигая больше горючей смеси. Этого можно добиться разными способами, но наиболее распространенные — увеличение рабочего объема двигателя или увеличение подачи горючей смеси в цилиндры посредством наддува. Первая схема хорошо известна по американским многолитровым машинам. Очевидный плюс — простота конструкции такого двигателя и, следовательно, более высокий ресурс. Минус — большая масса, что ведет за собой увеличение габаритов и веса автомобиля и, как следствие, ухудшение управляемости.

Наддув обязательно ведет к усложнению конструкции двигателя, что не может не сказываться на надежности, но позволяет достичь большей мощности при меньших размерах и габаритах. Если на Porsche поставить 12-цилиндровый двигатель, мы получим классический американский автомобиль, пускай и с прекрасной разгонной динамикой. Удивительно маневренными немецкие машины делают компактные 6-цилиндровые двигатели, в которых они умудряются снимать с 3,5 л объема мощность в 456 л.с.

Наддувательство

Самым элементарным является инерционный наддув. Принцип его действия действительно прост: на капоте, если двигатель находится впереди, или по бокам или на крыше, если мотор сзади, ставятся дополнительные воздухозаборники, от которых по воздуховоду подводится дополнительный воздух к впускному коллектору. Заметим сразу, что воздухозаборники «ушастого» «Запорожца» никакого отношения к наддуву не имели — они служили для охлаждения двигателя. Точно так же заблуждались владельцы «тюнинговых» «Жигулей», которым умельцы устанавливали такие воздухозаборники на капоте. Дело в том, что инерционный наддув начинает работать только на скорости выше 180 км/ч, которую продукт отечественного автопрома развить не мог ни при каких обстоятельствах. А увидеть действующую систему в Москве можно на нескольких Pontiac Firebird Trans Am, на которые инерционный наддув ставился на заводе.

Реальную же прибавку в мощности можно получить, только установив компрессор. Если он приводится механической передачей от коленвала, то такое устройство чаще всего называют механическим нагнетателем в России, compressor — в Германии, supercharger — в Америке и blower — в Англии. Если же компрессор вращается турбиной, размещенной в выпускном тракте двигателя, то его чаще всего называют турбонагнетателем (turbocharger).

С немецким акцентом

Впервые наддув применил в своих автомобилях легендарный француз Луис Рено. По иронии судьбы сегодня Renault — одна из немногих компаний, не применяющая наддув в своих двигателях для легковых автомобилей. Мировую же известность механическим нагнетателям принесла компания Mercedes-Benz, устанавливающая наддувочные компрессоры в конце 20-х сначала на гоночные, а начиная с 30-х — и на серийные машины. После того, как компрессорные «Мерседесы» полюбили Адольф Гитлер и немецкие кинодивы, мода на наддувные машины перекинулась на Голливуд и оттуда — на весь мир. Золотой век немецких «компрессоров» закончился одновременно с началом Второй мировой войны. Основное применение компрессоров в военное время пришлось на авиацию: наддув использовался для компенсации недостатка кислорода на больших высотах. Особенно в этом преуспели американцы. Поэтому неслучайно в послевоенное время центр производства механических нагнетателей переместился за океан. Даже вновь появившиеся на «Мерседесах» после полувекового перерыва механические нагнетатели для немецкого гиганта поставляет американская компания Eaton, что, впрочем, не очень афишируется.

Но это не значит, что европейцы распрощались с идеей наддува. Ни для кого не секрет, что к мерседесовским нагнетателям в 30-е годы приложил руку небезызвестный конструктор Фердинанд Порше. Но на собственных двигателях он решил ставить турбонагнетатели. Проблема заключалась в том, что они приводятся в действие отработанными газами и должны выдерживать довольно высокие температуры. Долгое время не существовало жаропрочных и прочных материалов и турбокомпрессоры оставались капризными и ненадежными агрегатами. И только сильный прогресс немецкой оборонной промышленности 40-х годов в области авиационных турбореактивных двигателей наконец-то дал технологии и материалы для производства надежных автомобильных турбин. С тех пор лучшие турбомоторы в Европе — у Porsche.

Борьба с ямами

Современный турбокомпрессор конструктивно проще механического нагнетателя, но имеет собственные проблемы — высокую требовательность к качеству масла и, самое главное, медленный отклик на нажатие педали газа, что обусловливается инерцией турбины. С недостатком борются, устанавливая вместо одной большой две маленькие турбины (меньше масса — меньше инерция), по одной на свою сторону двигателя. Такая схема часто называется «битурбо».

Другая проблема, связанная с аэродинамикой турбины, так называемая «турбояма», — практически полное отсутствие наддува до 2500−2800 об./мин. Проблему решают разными способами, включая такую экзотику, как подкрутка турбины высокоскоростным электродвигателем.

Механический нагнетатель, который жестко связан с валом двигателя, имеет линейную зависимость наддува от оборотов: автомобиль практически мгновенно реагирует на нажатие педали акселератора, что особенно ценно при разгоне. Недостаток же данной схемы состоит в меньшем КПД по сравнению с турбонагнетателями: механический нагнетатель отбирает мощность с вала двигателя, а турбина приводится в движение практически дармовыми выхлопными газами.

Недокрутить — пропасть, перекрутить — пропасть

Независимо от схемы привода, собственно воздух нагнетает компрессор. Наибольшее распространение получили две схемы — роторнозубчатая схема Roots, запатентованная в 1866 году братьями Филандером и Фрэнсисом Рутсами, и центробежные нагнетатели.

Достоинство нагнетателей Roots в их простоте. Первоначально рассчитанные для двухтактных двигателей, подобные нагнетатели по сути являются импульсными, что не лучшим образом сказывается на характеристиках двигателей. При такой схеме частота вращения компрессора обычно составляет 0,5−2 частоты оборотов коленвала двигателя. На больших оборотах компрессор может выйти из строя, поэтому на современных нагнетателях применяются специальные центробежные муфты, ограничивающие обороты.

Рабочая частота вращения центробежных нагнетателей составляет 40−90 тыс. об./мин (на некоторых моделях — 90−130). Если перекрутить такой компрессор, поток нагнетаемого воздуха перестает быть ламинарным и возникающая турбулентность начинает тормозить поток — давление падает. Если же недокрутить, то центробежная сила становится недостаточной для создания давления и наддув практически сходит на нет. В итоге получается, что частоту вращения центробежного нагнетателя надо поддерживать в пределах +/- 50%, тогда как во время движения частота работы двигателя меняется в среднем в 7 раз. Все это приводит к установке разнообразных вариаторов и усложнению конструкции.

Другая проблема — в предельном максимальном давлении, которое могут выдержать автомобильные двигатели. Хорошие моторы позволяют поднимать давление во впускном коллекторе в 1,6−1,7 раза, а компрессоры запросто усиливают давление в 2,7 раза. Чтобы избежать повышенного давления, приходится ставить перепускные клапана для ограничения максимального давления.

Само собой разумеется, повышение давления на входе ведет к повышению давления в цилиндрах. Но современные автомобильные двигатели уже подошли к пределу. Степень сжатия в последних моторах Mercedes достигла 10−10,5 раз, а в Porsche — 11−11,5 раз. При большем сжатии даже высокооктановый бензин перестает гореть и начинает детонировать — взрываться. Выход — либо применять специальные гипероктановые топлива, имеющие степень сжатия 17−18, на основе метанола или нитрометана, либо ставить моторы, изначально имеющие низкую степень сжатия — 8−8,5. Это, кстати, объясняет, почему ставить нагнетатели на ультрасовременные двигатели бессмысленно.

Механика ручной сборки

В заводских условиях проще всего ставить именно турбонаддув — больше выигрыш в мощности, менее сложная конструкция, более простая регулировка. В механических нагнетателях добавляются проблемы с размыкателями на холостых оборотах, системами управления компрессора, вариатором и т. д. Хотя некоторых это не пугает — за возможность иметь ровную тягу во всех диапазонах некоторые компании идут на усложнение конструкции и ставят механические нагнетатели — например, Mercedes, Jaguar, Land Rover. Но это, скорее, исключение. Гораздо чаще на мощных машинах можно увидеть слово «Turbo».

Другое дело — тюнинг. Здесь побоку повышенный расход топлива, повышенная токсичность и холостой ход, главное — дополнительная мощность. Тюнинговый наддув двигателей — это царство механических нагнетателей и устаревших многолитровых моторов. И то и другое, само собой разумеется, американское.

С лучших современных двигателей, например с 2,2-литрового турбодвигателя Porsche, конструкторы умудряются снимать по 160 л.с. с литра. Классический 5,4-литровый двигатель GM выдает 70 л.с. с литра. Добавление дополнительных 50−100 л.с. на литр не приведет к летальным последствиям для такого мотора, в отличие от «европейца». Осталась сущая безделица — найти свободное место под капотом и купить за 

$35 тыс. готовый набор для установки нагнетателя.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№2, Февраль 2003).

www.popmech.ru


Смотрите также