Развитие методов расчета и оптимизация рабочих процессов ДВС (1024698), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Параметры газа послекомпрессора и перед турбиной задаются только в качестве первого приближения. От точности их задания зависит только количество итераций, за котороебудет найден совместный режим работы.Расчет поршневого двигателя совместно с турбинами и компрессорами,образующими агрегат наддува, может быть проиллюстрирован на примере расчета КДВС с двухступенчатым свободным турбокомпрессором [59]. Эта схемаявляется наиболее общей и наиболее сложной для расчета, другие схемы могутбыть получены из нее удалением тех или иных узлов, или заменой связей наболее простые, не требующих итерационных методов решения.Блок-схема программы совместного расчета поршневого ДВС и свободного двухступенчатого агрегата наддува, поясняющая последовательность расчета, представлена на рис. 2.16, 2.17.
На блок-схеме для простоты не представлены модули расчета дополнительной камеры сгорания, устройств перепускавоздуха после компрессоров и ОГ мимо турбин, а также модули расчета охладителей наддувочного воздуха.Последовательность расчета КДВС с двухступенчатым свободным ТК.1. Задание начальных приближений:- давления наддува рк, температуры наддувочного воздуха Тк,- среднего давления в выпускном коллекторе рr,- множителя А в уравнении, аппроксимирующем расходную характеристику турбины [8, 59, 60],- частоты вращения роторов турбин и компрессоров ступеней высокого инизкого давления nтквд и nткнд.Режим работы КДВС определяется заданными значениями:- цикловой подачи топлива qc,- частотой вращения вала nдв,- 88 -- высотой и скоростью полета (расчет параметров окружающей среды взависимости от высоты над уровнем моря осуществляется по свойствам стандартной атмосферы [61]),- долей перепускаемого воздуха или газа,- расходом топлива в дополнительной КС.2.
Расчет рабочего процесса поршневого ДВС.В результате расчета определяются средние за цикл: давление рr* и температура Тr* в выпускном коллекторе, расход воздуха Gair и газа Gr через двигатель.3. Расчет дополнительной КС перед турбиной (на блок-схеме рис.2.16,2.17 дополнительная КС не представлена).В результате расчета определяются: расход газа через турбину Gт, температура Тт* и давление рт* газов перед турбиной.4. Расчет перепускных устройств.Определяется расход газа через турбину и компрессор: Gт = Gт CТ; Gк =Gк CК; где: CТ и CК доли ОГ и воздуха перепускаемые мимо турбины и послекомпрессора соответственно.5.
Расчет турбины ВД (ТВД).Используя характеристику турбины ВД, и зная параметры ОГ перед турбиной: Gт, рт*, Tт* и nтквд определяются по характеристике турбины: мощностьтурбины Nтвд , давление за турбиной ротвд* и температура газа за турбинойТотвд*.6. Расчет турбины НД (ТНД).Используя характеристику турбины НД, и зная параметры ОГ перед турбиной: Gт, ртнд* = ротвд*, Tтнд* = Тотвд* и nткнд определяются по характеристикетурбины: мощность турбины Nтнд и давление за турбиной ротнд*.7.
Расчет компрессора НД (КНД).Используя характеристику КНД, параметры окружающей среды (вычисленные из условий полета для авиационного ДВС), зная частоту вращения ро-- 89 -тора nткнд и расхода воздуха Gк, определяются: мощность Nкнд, давление ркнд итемпература Ткнд за компрессором с учетом охлаждения и потерь давления в охладителе наддувочного воздуха.8. Балансировка по мощности турбокомпрессора ступени НД.Если Nтнд - Nкнд/ Nтнд > 0,0003, то дается приращение частоте вращенияnткнд и расчет повторяется с п. 6.9. Расчет компрессора ВД (КВД).Используя характеристику КВД, параметры на его входе ркнд и Ткнд, (вычисленные в п.
7), зная частоту вращения ротора nтквд и расхода воздуха Gк , определяется мощность Nквд, давление рквд и температура Тквд за компрессором сучетом охлаждения и потерь давления в охладителе наддувочного воздуха.10. Балансировка по мощности турбокомпрессора ступени ВД.Если Nтвд - Nквд / Nтвд > 0,0003, то дается приращение частоте вращенияnтквд и расчет повторяется с п. 5.11.
Коррекция аппроксимационного расходного уравнения турбины ВД.Если ротнд - ро > 0,005, то делается приращение множителю А в условном расходном уравнении турбины [59] и расчет повторяется с п. 2. (ро - давление за ТНД).12. Балансировка параметров наддува.Если pквд - pк > 0,01, или Тквд - Тк > 2,5, то дается приращение pк и Тк ирасчет повторяется с п. 2.13. Расчет мощностных и эффективных параметров КДВС выполняетсяпри соблюдении условий сходимости всех итерационных процессов.Расчет показателей турбин и компрессоров производится по методике,использующей сплайн-интерполяцию их универсальных характеристик.- 90 Задание первых приближений:- давления и температуры наддувочного воздуха;- частот вращения роторов ТК ступеней ВД и НД;- аппрокс. уравнения расходной х-ки турбины ВД.ВРасчет поршневого ДВС:Вычисление: расхода ОГ Gт; заторможенных давления рт*итемпературы Tт* перед турбиной ВД.Расчет турбины ВД:Вычисление: мощности Nтвд; заторможенныхдавления ртнд*и температуры Tтнд* передтурбиной НД.Расчет турбины НД:Вычисление: мощности Nтнд; давления рт2 затурбиной НД.Расчет компрессора НД:Вычисление: мощности Nкнд; давления ркнд итемпературы Tкнд после компрессора НД.Проверка баланса мощности КНД и ТНДДАНЕТ: Коррекция частотывращения ротора ТКНДРасчет компрессора ВД:Вычисление: мощности Nквд; давления рквд итемпературы Tквд после компрессора ВД.Проверка баланса мощности КВД и ТВДДАНЕТ: Коррекция частотывращения ротора ТКВДАРис.2.16.
Блок-схема программы совместного расчета поршневогоДВС и свободного двухступенчатого агрегата наддува (начало)- 91 АПроверка совпадения давления после ТНД изаданного противодавления на выпускеНЕТ: Коррекция коэфф. А аппрокс.уравнения расходной х-ки ТВД.ВДАПроверка совпадения давления рквд итемпературы Тквд после КВД и заданныхпараметров наддува для расчета поршневогоДВСНЕТ: Коррекция давления итемпературы наддувочного воздухадля расчета поршневого ДВСВДАРасчет интегральных показателей комбинированногоДВС:- расчет эмиссии вредных веществ,- подготовка данных для графического отображениярезультатов,- формирование функции цели и ограничений дляоптимизации.Завершение расчета комбинированного ДВСРис. 2.17.
Блок-схема программы совместного расчета поршневого ДВС исвободного двухступенчатого агрегата наддува (окончание)Использование приведенного алгоритма для расчета КДВС 6ЧН 30/38 сдвухступенчатым свободным турбокомпрессором иллюстрируется рис. 2.18,где представлено сравнение расчетных и экспериментальных зависимостей изменения параметров турбин и компрессоров, а также всего КДВС при его работе по нагрузочной характеристике с противодавлением на выпуске 0,51 бар.- 92 -Рис. 2.18.
Сравнение расчетных и экспериментальных зависимостей измененияпараметров газа перед турбиной и после компрессоров, а также параметроввсего дизеля при его работе по нагрузочной характеристикеНа рисунке 2.18 приняты следующие обозначения: ηтк- КПД турбокомпрессора; pкнд, Ткнд - давление и температура воздуха после компрессора низкого- 93 -давления; pквд, Тквд - давление и температура воздуха после компрессора высокого давления; рТ, TТ - давление и температура газов перед турбиной высокогодавления; nткнд, nтквд - частоты вращения роторов ступеней низкого и высокогодавления; Ne - эффективная мощность; Gair - расход воздуха через двигатель; рz- максимальное давление цикла; α - коэффициент избытка воздуха; be - удельный эффективный расход топлива.
Экспериментальные данные получены ипредоставлены ПО Коломенский завод [8].Расчет комбинированного двигателя с учетом характеристик турбин икомпрессоров занимает в 10 – 20 раз больше машинного времени, чем обычныйрасчет с заданием параметров турбин и компрессоров в явном виде. Кроме того, процесс формирования файлов данных с характеристиками турбин и компрессоров требует дополнительных усилий, и самое главное, результатов специальных испытаний турбин и компрессоров.Хорошее совпадение расчетных данных с результатами измерений повсей нагрузочной характеристике говорит о работоспособности приведенногоалгоритма и возможности его использования для решения задач подбора агрегатов наддува к поршневому двигателю с целью формирования его эксплуатационных характеристик.2.8.
Методика многопараметрической оптимизации ДВСПри решении исследовательских задач, связанных с поиском рационального сочетания сразу нескольких параметров двигателя, таких, как степень сжатия, опережение впрыскивания, диаметр, число и направленность сопел распылителя, форма камеры сгорания, интенсивность вихря, фазы газораспределения,параметры турбонаддува и др. зачастую бывает трудно спланировать и обработать численный эксперимент с большим количеством варьируемых факторов. Вэтом случае очень эффективным средством является многопараметрическая оптимизация, когда поиск рационального сочетания варьируемых факторов возлагается на формальную процедуру нелинейного программирования, а исследова-- 94 -телю остается только грамотно сформулировать задачу оптимального поиска ипроанализировать полученное решение.
Использование многопараметрическойоптимизации особенно эффективно при решении задач форсирования двигателей, при разработке новых конструкций, а также при проведении модернизации, направленной на снижение расхода топлива и эмиссии вредных веществ.Задача оптимизации конструктивных параметров КДВС может быть сформулирована как задача математического программирования, т.е.
отыскания экстремума целевой функции (или функционала): Zj (Xk), k=1, n; от вектора независимых переменных Xk в пространстве решений E(Xk), при наличии m ограничений типа неравенств Yi (Xk) > 0, i=1,m.Показатели эффективности двигателя или отдельных его процессов могутбыть включены в целевую функцию Zj = Zj (Xk), являющуюся функцией многихпеременных.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
