Определение температуры газов, на входе в турбину и баланса мощностей компрессора и турбины

2.5.1. Схематически можно принять, что в процессе выпуска последовательно происходят изоэнтальпийное истечение газовизцилиндров в выпускной коллектор, их перемешивание с продувочным воздухом и перенос отработавших газов к турбине с некоторой потерей теплоты в стенки коллектора.

При перемешивании газов с наддувочным воздухом из уравнения баланса теплоты находится температура смеси.

Уравнение баланса теплоты может быть представлено в виде:

гдеG_S; G - суммарный и теоретический расход воздуха, кг/с;

Т_СМ, Т_S; Т_В - температуры смеси, воздуха в ресивере и газов в точке «в»:

mC_РСМ; mC_РS и mC_РВ - массовые теплоемкости смеси, воздуха в ресивере и газов в точке «в», кДж/(кг×К). Теплоемкости берутся из курса теплотехники; их можно найти, зная мольные теплоемкости:

(45)

где m - молекулярная масса газа, г/моль или кг/кмоль, ее можно принимать равной 29 для воздуха и 31 для продуктов полного сгорания.

Молекулярную массу смеси можно найти точно:

Принимая mC_РВ = mС_РСМ, получим:

, (46)

Температуру смеси рабочего тела перед турбиной определяют с учетом потерь теплоты на охлаждение:

, (47)

где y_r - коэффициент, учитывающий теплоотвод в выпускной системе;

- температура теплоносителя, охлаждающего коллектор.

В тепловозных дизелях величина y_r находится в пределах:

· для коллектора, охлаждаемого водой - 0,1 - 0,15;

· для неохлаждаемого коллектора - 0,01 - 0,03.

В случае охлаждения коллектора водой значение принимается в пределах 320 - 360 К. Для неохлаждаемого коллектора значение принимается равной температуре воздуха в кузове тепловоза.

2.5.2. Мощность турбины зависит от расхода смеси G_Z, температуры смеси Т_СМ на входе в турбину, перепада давлений в турбине p_Т и КПД h_Т.

Для обеспечения продувки двигателя перепад давлений по двигателю для 4-тактных дизелей не должен быть ниже , а для 2-тактных дизелей (где Р_Т - давление газов перед турбиной).

Тогда:

, (48)

где x_r - коэффициент потерь давления в выпускной системе x_r = 0,9 - 0,95.

Мощность турбины:

, (49)

где k_Г - показатель адиабаты выпускных газов; k_Г = 1,32 - 1,35.

Из баланса мощностей компрессора и турбины получим требуемый КПД турбины:

, (50)

где N_К подсчитана по формуле (18).

Полученные величины требуемого КПД не должны быть выше значений, реально достигаемых в настоящее время h_Т £ 0,8 - 0,85.

Если требуемый КПД турбины будет выше, это значит, что выбранная схема воздухоснабжения и температура рабочего тела на выходе из дизеля Т_В не обеспечивают получения заданного давления наддува.

Необходимо снизить величину за счет увеличения проходных сечений при газообмене или увеличить степень предварительного расширения за счет снижения l. Последнее нежелательно, так как приведет к снижению максимального давления сгорания, к повышению температуры в точке «в» и к снижению эффективного коэффициента полезного действия двигателя.