Диссертация (1026344), страница 12
Текст из файла (страница 12)
По методу,изложенной в статье [100] сформирован необходимый для расчѐтов наборхарактеристик. C помощью программного комплекса Дизель-РК воссозданрабочий процесс дизеля 16 ЧН 26,5/31 и проведѐн расчѐт параметроврабочего процесса в поле режимов работы двигателя. Благодаря такомуподходу было получено статическое описание характеристик дизеля во всѐмдиапазоне его работы, при этом были совмещены экспериментальные ирасчѐтные значения.Математическая модель составлена согласно функциональной схеме,представленной на Рисунке 3.2.84На функциональной схеме система управления представлена как совокупность основных узлов: поршневая часть (ПЧ), два турбокомпрессора (ТК1 иТК2), регулятор (Р), впускной и выпускной трубопроводы (ВпТ и ВыпТ).Рисунок 3.2.
Функциональная схема модели системы управления дизелемРабота модели основана на совместном решении пяти дифференциальныхуравнений. При этом определяются следующие параметры: угловая скоростьвала дизеля, угловая скорость ротора турбокомпрессоровние воздуха во впускном трубопроводепроводегазов.,, давле-, давление газов в выпускном трубо-,. Правые части уравнений содержат крутящие моменты и расходы85В модели реализованы регулирующие воздействия на системы топливоподачи и воздухоснабжения.
Режимы работы систем охлаждения и смазываниязадаются константами без моделирования процессов работы самих систем. Вмодели реализованы алгоритмы прекращения топливоподачи в случае несоответствия заданных констант допустимым диапазонам.Общая структура используемой модели приведена на Рисунке 3.3.Рисунок 3.3. Структура математической динамической моделидизеля с турбонаддувомВ соответствии со схемой на Рисунке 3.3 производится циклический расчѐт характеристик дизельного двигателя. На связях между уравнениями отме-86чены переменные, которые передаются в следующий элемент для определенияпараметров. При этом параметры, передаваемые в модуль решения дифференциального уравнения, будут доступны и во всех следующих за ним в циклеуравнениях. Таким образом, в каждом цикле расчѐта формируется некотороепространство текущих значений параметров, доступное из любого структурного элемента.Для проведения расчѐта задаются начальные приближения переменных,определяемых в дифференциальных уравнениях, параметров окружающей среды и начальные значения регулирующих воздействий:Другие параметры можно разделить на две группы по способу их определения.В первую группу входят параметры, заданные в виде полиномов и другихфункциональных зависимостей (ряд Фурье, логарифмические преобразованияаргументов, рациональные дроби).
Точное определение таких параметров может значительно замедлить процесс расчѐта, что недопустимо для динамической модели с возможностью работы в реальном времени. В эту группу входятследующие параметры: индикаторный коэффициент полезного действия (КПД)дизеля, коэффициент наполненияэффективный КПД турбины, адиабатический КПД компрессора, температура наддувочного воздухатура газов в выпускном трубопроводе, момент сопротивлениязов через турбину,, темпера-, момент внутренних потерь в дизеле, расход воздуха через компрессор, степень понижения давления газов в турбине, расход га.Во вторую группу вошли параметры, значения которых определяются поформулам рабочего процесса: плотностьизбытка воздуханаддувочного воздуха, коэффициент, расход воздуха через двигательиндикаторный момент дизеля, расход топлива, момент компрессора,, момент турбины.Использование такого подхода позволило значительно ускорить процессрасчѐта текущего неустановившегося режима работы двигателя.87Остановимся подробнее на использованных в модели уравнениях.1).
Поршневая часть дизеля с топливной аппаратурой.(где –)момент инерции вала дизеля, с учѐтом момента инерции нагружающегоустройства (генератора или редуктора с судовым винтом).По формулам теории рабочих процессов определялись следующие параметры дизеля.Плотность воздуха, поступающего в цилиндры,где() – газовая постоянная воздуха,– температуравоздуха на входе в цилиндры дизеля.Массовый расход воздуха через дизель(где – число цилиндров,)– рабочий объѐм цилиндра,– число цикловза 1 секунду при текущей угловой скорости вала дизеля.Массовый расход топливаКоэффициент избытка воздухаИндикаторный момент дизелягде– низшая теплота сгорания дизельного топлива.Для использования в функциональных зависимостях по определению па-раметров также производится определение частоты вращения в об/мин.882).
Турбокомпрессор.(где)– момент инерции ротора турбокомпрессора.Такое уравнение решается дважды, независимо для каждого из турбоком-прессоров.По формулам теории рабочих процессов определялись следующие параметры компрессора и турбины.Температура воздуха на выходе компрессора(где)– показатель адиабаты для воздуха;ния давления воздуха в компрессоре,– степень повыше-– давление окружающей среды.Адиабатическая работа сжатия 1 кг воздуха в компрессоре()С учѐтом потерь на гидравлическое сопротивление и теплообмен действительная работа сжатияМощность, затрачиваемая на привод компрессора (при отношении механических потерь к турбине)Момент, необходимый для привода компрессора,Адиабатическая работа 1 кг газа в турбине()89гдеи() – показатель адиабаты и газовая посто-янная отработавших газов.Механическая работа газов, с учѐтом потерь движения потока в турбине ина трение в турбокомпрессореМощность, снимаемая с ротора турбины,Момент, развиваемый турбиной,3).
Впускной трубопровод дизеля.(где)– объѐм впускного трубопровода.Для обнаружения выхода компрессора на режим помпажа в модели со-держится линия максимально допустимых давлений при текущей частоте вращения. При достижении давлением компрессора заданного значения на правуючасть уравнения изменения давления во впускном трубопроводе накладываетсядополнительное условие: (). Использование такого подходапозволяет ограничить расчѐты только рабочей областью турбокомпрессора.4). Выпускной трубопровод дизеля.Уравнение изменения давления газов в выпускном трубопроводе(где)– объѐм выпускного трубопровода.При анализе уравнений, составляющих математическую модель, былсформирован набор параметров первой группы, а также выбраны переменные,характеризующие режим работы двигателя и используемые для определенияследующих параметров:- индикаторного КПД(),90- коэффициента наполнения(),- температуры отработавших газов().- адиабатного КПД компрессора(),- эффективного КПД турбины(- расхода воздуха через компрессор- расхода газов через турбину- температуры на впуске),(),( ),( ).Полученные функциональные зависимости для иллюстрации представлены в виде поверхностей на Рисунках 3.4-3.8.Рисунок 3.4.
Поверхность индикаторного КПДНа всех рисунках присутствуют точки, на основе которых проводилсяподбор функциональной зависимости. Цвет точки соответствует погрешностииспользования зависимости: голубой до 2%, зелѐный от 2 до 5%. При подборезависимостей появлялись также жѐлтые точки, соответствующие погрешностисвыше 5%. Критериями, по которым выбиралась окончательная зависимость,91являлись визуальная гладкость и неразрывность поверхности, и отсутствие точек жѐлтого цвета (с большой погрешностью).Функциональная зависимость для определения индикаторного КПД выглядит следующим образом:(( ))( ( ))()( )В результате поиска функциональной зависимости для индикаторногоКПД было принято решение использовать логарифмирование одного из аргументов ( ).
Такой приѐм позволил не проводить нормирование аргументов иработать с величинами с исходной размерностью.Рисунок 3.5. Поверхность температуры отработавших газовФункциональная зависимость для определения температуры отработавших газов:()( )92Наилучший результат показала функциональная зависимость, использующая обратные величины в качестве аргументов, а также применено логарифмирование по аналогии с зависимостью для индикаторного КПД.Рисунок 3.6. Поверхность расхода через компрессорФункциональная зависимость для определения расхода компрессорапредставляет особую сложность в связи с формой самой характеристики. Дляописания расхода во всѐм диапазоне изменения параметров были опробованыразличные подходы.
В итоге было принято решение описать всѐ поле единойхарактеристикой, чтобы не создавать линии перехода между зонами. Такойподход позволил реализовать гладкую характеристику, наиболее близкую к реальным параметрам компрессора. При этом было использовано разложениефункции от двух параметров в ряд Фурье. Для подстановки в формулу ряда93Фурье используются нормировка переменных в диапазоне от нуля до числа пи.Описание процесса определения расхода описано ниже:()(((())(()()()((())((()()()())(()))())()(())()()))()())))()(((((())()))(((()()()))))()((()))))(((()))()((()(())))((())()((()()())94Рисунок 3.7. Поверхность адиабатного КПД компрессора()(( (())))( (()))( ())Функциональная зависимость для адиабатного КПД компрессора использует в качестве аргументов давление и расход компрессора.
При этом производится логарифмирование давления, выраженного в атмосферах. Следует отметить, что зависимость по сути представляет собой полный полином третьегопорядка.95Рисунок 3.8. Поверхность эффективного КПД турбиныДля получения характеристики эффективного КПД турбины в соответствии с принципами подобия использовались приведѐнные показатели:и.√()() ()В функциональной зависимости использована обратная величина от исходной степени понижения давления в турбине.Для учѐта параметров турбин с изменяемой геометрией в модель быливнедрены дополнительные коэффициенты [101]. На основе анализа турбокомпрессора с известными характеристиками в относительных единицах были получены коэффициенты для расхода и КПД турбины. Поверхности, представля-96ющие визуальное отображение полученных зависимостей представлены на Рисунках 3.9, 3.10.Рисунок 3.9. Поверхность относительного расхода турбины()(() ())В функциональной зависимости используется аргумент– степень от-крытия турбины.
Для получения наилучших показателей потребовалось использовать обратную величину от степени понижения давления в турбине, чтоаналогично решению для зависимости КПД турбины.97Рисунок 3.10. Функциональная зависимость относительного КПД турбины( )В результате анализа характеристик КПД турбин с изменяемой геометрией было принято решение построить зависимость только от степени открытиятурбины. Сама зависимость представляет рациональную дробь с полиномамивторого порядка в качестве числителя и знаменателя.Среднеоборотные дизели чаще всего применяются в составе энергетических установок тепловозов и крупных судов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
