Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Просто о сложном, но важном КПД

Просто о сложном, но важном КПД.

КПД…что это за зверь такой-этот коэффициент полезного действия? Звучит как-то чрезвычайно занудно, научно. Причем настолько, что вникать и разбираться тут же отпадает всякое желание. Я предлагаю не спешить закрывать страничку и набраться немного терпения. Ведь КПД для любого ДВС и даже автомобиля в целом, понятие во многом определяющее…неплохо бы понимать о чем речь.
Хочу заметить, что именно благодаря работе конструкторов над повышением КПД двигателя и трансмиссии мы имеем мощные и одновременно экономичные автомобили. Конструкции двигателей постоянно претерпевают изменения главным образом в борьбе за высокий КПД, а мощность, крутящий момент, топливная экономичность являются уже продуктом, результатом этой борьбы. Нужно понимать, что можно сделать двигатель сколько угодно большим или сжигать уйму топлива в нем, но если при этом коэффициент полезного действия этого двигателя не на высоте, не ждите от него высокой мощности. Понять это очень просто. Взгляните на характеристики автомобиля, скажем, года эдак 1930 и сопоставьте их с характеристикой авто хотя бы 2000 годов. В глаза сразу бросится факт неэффективности двигателей ушедшей эпохи.

Для начала определимся, что это вообще такое –КПД? Эта величина, собственно, показывает какая часть энергии (например-полученной при сгорании топлива)в механизме или устройстве расходуется на то, что нас интересует(например-передвижение автомобиля), а какая тратится впустую(например-нагрев системы охлаждения).Пользуясь логикой, КПД можно определить для любого механизма или системы механизмов. Достаточно «отделить зерна от плевел», иначе говоря, соотнести полезное для нас действие с нашими общими затратами энергии. Выразить математически полезную работу можно как угодно. Но так уж принято, что выражается она коэффициентом, ибо потом проще считать всяческие силы, мощности и прочую физику.
В ДВС отношение полезной механической работы, которую мы получили, к общей затраченной теплоте, полученной при сгорании топлива, называют эффективным КПД. Это основная величина и отражает она степень использования теплоты сгорания топлива в двигателе, с учетом всех видов потерь, как тепловых так и механических. Эта величина позволит нам обоснованно судить о эффективности двигателя. НО! Для оценки его эффективности на разных уровнях и этапах понятие эффективного КПД уже не подходит и в этом случае эффективный КПД разбивается на составляющие и используются еще как минимум два вида КПД это индикаторный КПД и механический КПД двигателя. Давайте разбираться что есть что и зачем?
Я думаю всем понятно, что в таком сложном механизме, как ДВС, передать энергию путем кучи преобразований и без потерь невозможно. Потери происходят из-за газообмена, когда поршень работает как насос(насосные потери), из-за трения поршня и колец о цилиндр, из-за трения в подшипниках вращающихся деталей, при приводе дополнительных механизмов, таких как газораспределительный механизм. И это далеко не все факторы. Для оценки этих потерь вводится понятие механического КПД двигателя.

Если с механикой все более или менее понятно и осязаемо, то понятиями, дающими оценку эффективности использования теплоты все не так просто.
Основным критерием оценки эффективности использования теплоты является индикаторный КПД двигателя. Он отражает степень использования теплоты в действительном, происходящем в нашем конкретном двигателе, цикле. С учетом всех тепловых потерь в нем. Математически- это отношение теплоты, которая потратилась на совершение полезной работы ко всей затраченной теплоте.
Кроме индикаторного КПД двигателя, существует термический КПД, который описывает эффективность термодинамического цикла, по которому работает данный ДВС. Теория и физика чистой воды, посему останавливаться подробно не будем.
В дополнение к термическому КПД рассмотрим относительный КПД двигателя, который дает оценку насколько удачно конструкция двигателя позволила реализовать идеальный термодинамический цикл, по сравнению с реальным, протекающим в нашем конкретном двигателе. То есть помогает нам учесть потери теплоты. Математически относительный КПД выражается отношением индикаторного(реального теплового) КПД нашего двигателя к термическому КПД идеального термодинамического цикла по которому работает наш двигатель.
И термический и индикаторный КПД рассматривают для дополнительной оценки двигателей. Математически-они две составляющие индикаторного КПД, который можно выразить произведением этих двух величин.
Подробно рассматривать термодинамические циклы не будем, ибо это дебри физики и полагаю никакого терпения не хватит читателю. Возможно в будущем найду хорошую статью и сделаю копипаст.
Как итог хочу сказать что представление о каждом из рассмотренных выше КПД двигателя, дает хороший ключ к пониманию как провести грамотный тюннинг двигателя, а так же для чего конструкторы намудрили в том или ином случае с какой-то казалось бы простой деталью. Это все в свою очередь порой хорошо прочищает мозги от безответственных, «колхозных» настроений и настраивает на грамотный, щепетильный подход к ремонту и обслуживанию автомобиля. Обо всем этом подробно я и постараюсь рассказать вам в следующих статьях.
За сим откланяюсь. Надеюсь, Вам было интересно.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя

  • Что такое КПД
    • Понятие максимального значения
  • Как устроен тепловой двигатель
    • Идеальный тепловой двигатель Карно
  • Расчет коэффициента полезного действия
  • Построение графика КПД теплового двигателя
  • Пример решения задачи

Что такое КПД

Коэффициент полезного действия (КПД) — это характеристика эффективности механизма преобразующего энергию. КПД обычно обозначается символом η, и представляет собой отношение полезной работы к полной работе.

Полная работа — это вся работа совершенная приложенной силой.

Полезная работа — это та работа, которая требуется от данного механизма.

Читать еще:  Влияние коммутатора на работу двигателя

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя подразумевает отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

В науку и технику определение КПД двигателя ввёл в 1824 году французский инженер Сади Карно.

Понятие максимального значения

В силу закона сохранения энергии часть теплоты при передаче неизбежно теряется. Также часть энергии всегда отдается холодильнику. Вывод: невозможно получить полезной работы больше или столько же, сколько затрачено энергии.

Значение КПД любого механизма всегда меньше единицы.

Как устроен тепловой двигатель

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей:

  • рабочего тела;
  • нагревателя;
  • холодильника.

В основе работы двигателя лежит циклический процесс.

Нагреватель с помощью, например, сгорания топливной смеси выделяет большое количество теплоты и передает ее рабочему телу.

Рабочее тело, например пар, газ или жидкость, при нагревании расширяется и совершает работу, к примеру, вращает турбину или перемещает поршень.

Холодильник нужен, чтобы вернуть рабочее тело в начальное состояние. Он поглощает часть энергии рабочего тела. Таким образом обеспечивается цикличность, и тепловой двигатель работает непрерывно.

Идеальный тепловой двигатель Карно

Модель двигателя Карно разработал французский физик С. Карно.

Рабочая часть двигателя Карно — поршень в заполненном газом цилиндре. Двигатель Карно — идеальная машина, она возможна только в теории. Поэтому в ней силы трения между поршнем и цилиндром и тепловые потери считаются равными нулю.

Механическая работа максимальна, если рабочее тело выполняет цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. При изотермическом расширении работа газа совершается за счет внутренней энергии нагревателя. При адиабатном процессе — за счет внутренней энергии расширяющегося газа. В этом цикле нет контакта тел с разной температурой, поэтому исключена теплопередача без совершения работы. Такой цикл называют циклом Карно.

Адиабатический процесс — это термодинамический процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой (Q=0).

Изотермический процесс — это термодинамический процесс, происходящий при постоянной температуре. Так как у идеального газа внутренняя энергия зависит только от температуры, то переданное газу количество тепла Q идет полностью на совершение работы A (Q=A).

Функционирует двигатель Карно следующим образом:

  1. Цилиндр вступает в контакт с горячим резервуаром, и газ расширяется при постоянной температуре. На этой фазе газ получает от горячего резервуара тепло.
  2. Цилиндр окружается теплоизоляцией, за счет чего количество тепла, имеющееся у газа, сохраняется. Газ продолжает расширяться, пока его температура не упадет до температуры холодного теплового резервуара.
  3. На третьей фазе теплоизоляция снимается. Газ в цилиндре, будучи в контакте с холодным резервуаром, сжимается, отдавая при этом часть тепла холодному резервуару.
  4. Когда сжатие достигает определенной точки, цилиндр снова окружается теплоизоляцией. Газ сжимается за счет поднятия поршня до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой горячего резервуара. После этого теплоизоляция удаляется, и цикл повторяется вновь с первой фазы.

Чем больше разница между температурами нагревателя и холодильника, тем больше КПД двигателя Карно.

Расчет коэффициента полезного действия

Формула для расчета КПД теплового двигателя:

Где Q1 — количество энергии, которую дает нагреватель; A — работу совершаемую рабочим телом; Q2 — количество энергии, которая отдается холодильнику.

Для расчета КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, формула приобретает следующий вид:

Где T1 — температура нагревателя; T2 — температура холодильника.

Формула Карно позволяет вычислить предельный (максимально возможный) КПД теплового двигателя.

Построение графика КПД теплового двигателя

Работа, которую производит рабочее тело, в циклическом процессе численно равна площади цикла на графике зависимости давления от объема. Если цикл проходит по часовой стрелке, работа численно равна со знаком «+», если против часовой, то со знаком «-».

Для построения такого графика необходимо:

  1. Отложить объем рабочего тела (V) по оси абсцисс.
  2. Отложить давление рабочего тела (p) по оси ординат.
  3. Расположить на графике точки изотермы и адиабаты.

Для цикла Карно график будет выглядеть следующим образом:

Пример решения задачи

Рассчитать КПД идеального теплового двигателя с температурой нагревания 1000º K и температурой холодильника равной 500° K.

Применим формулу измерения КПД для идеального теплового двигателя:

Что такое квд двигателя

Д-36 — трёхвальный, с высокой степенью двухконтурности (5,34) Турбовентиляторный двигатель модульной конструкции [1] [2] .

Существуют серии двигателя 1, 1А, 2А, 3А, 4А [1] .

Двигатель Д-36 устанавливается на пассажирских самолетах Як-42, на транспортных самолетах Ан-72 и Ан-74, экранопланы «Комета-2» и «Вихрь-2» [1] [2] .

Производится на ОАО «Мотор Сич» (г. Запорожье). Серийное производство начато в 1977 году.

Содержание

  • 1 Конструкция
  • 2 Конструкция модулей
  • 3 Примечания
  • 4 Литература
  • 5 Ссылки

Конструкция [ править | править код ]

Двигатель — трёхвальный, состоит из ротора вентилятора и роторов низкого и высокого давления. Каждый ротор опирается на два подшипника и связан с другими только газодинамической связью. Вентилятор — сверхзвуковой, создающий основную долю тяги на малых и средних высотах, приводится 3-ступенчатой турбиной. Компрессор низкого давления (КНД) — околозвуковой, 6-ступенчатый, высокого давления (КВД) — дозвуковой, 7-ступенчатый, приводятся КНД и КВД одноступенчатыми турбинами (ТНД и ТВД соответственно). КНД расположен в передней части двигателя за вентилятором, КВД — за промежуточным корпусом.

Для обеспечения газодинамической устойчивости, настройки режимов работы компрессоров и согласования работы каскадов двигателя в КВД и КНД предусмотрены поворотные лопатки входных направляющих аппаратов (ВНА), регулируемые при доводке двигателя на стенде, а для обеспечения устойчивости на запуске и при малой частоте вращения роторов — клапаны перепуска воздуха (КПВ) за КНД и КВД. Для обеспечения возможности осмотра проточной части в корпусах компрессоров выполнены смотровые окна, закрытые заглушками с цанговыми фиксаторами.

Читать еще:  Что такое сталинград в двигателе

Двигатель выполнен по модульной схеме, состоит из двенадцати модулей:

  • ротор вентилятора;
  • спрямляющий аппарат вентилятора;
  • вал вентилятора;
  • КНД;
  • промежуточный корпус с КВД;
  • коробка приводов;
  • камера сгорания;
  • ротор ТВД;
  • корпус опор турбины;
  • ротор ТНД;
  • турбина вентилятора;
  • задняя опора.

На двигателе размещены следующие агрегаты:

  • блок топливных насосов агрегат 934 с центробежной ступенью низкого давления (ННД) и шестеренчатой ступенью высокого давления (НВД);
  • топливно-масляный агрегат (ТМА);
  • датчик расхода (ДР);
  • топливный регулятор агрегат 935;
  • электромагнитный клапан пускового топлива (клапан ПТ);
  • коллектор пускового топлива (коллектор ПТ);
  • топливный коллектор;
  • датчик давления (ДД);
  • 24 форсунки рабочего топлива (РФ)

С каждым двигателем работает электронная система управления ЭСУ-2-3. Система, по поступающей от датчиков ДТА-10, Т-80, БСКТ-220 информации в электронный блок, работающий совместно с топливным регулятором — агрегатом 935 и блоком топливных насосов — агрегатом 934, предохраняет двигатель от возникновения режимов работы с превышением максимально допустимых значений частот вращения роторов и температуры газов за турбиной.

Конструкция модулей [ править | править код ]

Компрессор низкого давления состоит из переднего корпуса с ВНА КНД, ротора, статора, клапанов перепуска воздуха и подшипникового узла передней опоры ротора. Шарикоподшипник передней опоры установлен на масляном демпфере.

Передний корпус КНД — литой, состоящий из наружного и внутреннего колец, соединённых между собой восемью обтекаемыми стойками, образующей воздушный тракт на входе в компрессор и осуществляет силовую связь передней опоры компрессора низкого давления (КНД) с корпусными деталями двигателя. К переднему фланцу наружного кольца переднего корпуса крепится проставка, служащая для крепления ПЗУ (пылезащитное устройство) на входе в двигатель. К заднему фланцу наружного кольца переднего корпуса крепится наружное кольцо (входного направляющего аппарата) ВНА КНД, в котором установлены лопатки ВНА КНД.

Ротор КНД — барабанно-дисковой конструкции, состоит из следующих основных частей:

  • рабочего колеса 1 ступени;
  • рабочего колеса 2 ступени;
  • рабочего колеса 3 ступени;
  • сварной секции рабочих колёс 4, 5 и 6 ступеней;
  • переднего вала;
  • заднего вала;
  • переднего лабиринта;
  • заднего лабиринта с зубчатым венцом, являющимся индуктором для датчика замера частоты вращения ротора низкого давления бесконтактым способом.

Рабочие колёса 1, 2, 3 ступеней и секция 4, 5, 6 ступеней соединяются между собой призонными болтами. К переднему фланцу сварной секции ротора крепится передний вал ротора. На валу смонтированы детали передней опоры ротора низкого давления.

К диску шестой ступени крепится задний вал. Хвостовик вала опирается на роликоподшипник в корпусе опор турбины и передаёт крутящий момент ротору от турбины низкого давления.

Компрессор высокого давления состоит из входного направляющего аппарата (ВНА), ротора, статора, клапанов перепуска воздуха с кожухами и подшипникового узла передней опоры ротора высокого давления. ВНА расположен в передней части КВД. Консольные лопатки ВНА с жёстко прикреплёнными к их цапфам рычагами помещены в разъёмное кольцо, которое крепится к промежуточному корпусу. Конструкция ВНА позволяет производить регулировку углов установки лопаток на собранном неработающем двигателе в стендовых условиях. Ротор КВД — семиступенчатый, барабанно-дисковой конструкции состоит из секции ротора 1-5 ступеней, рабочих колёс шестой и седьмой ступеней, проставки, переднего вала и заднего вала. Секция ротора 1-5 ступеней, рабочее колесо шестой ступени, проставка и рабочее колесо седьмой ступени, передний и задний валы крепятся между собой болтами. Передний вал крепится фланцем к диску шестой ступени и проставке, а хвостовиком опирается на шарикоподшипник передней опоры ротора. На переднем валу установлены детали передней опоры ротора и ведущая шестерня для привода агрегатов двигателя.

Задний вал крепится передним фланцем к диску седьмой ступени и проставке. Каждое рабочее колесо состоит из диска и рабочих лопаток, установленных в ободе диска с помощью замков типа «ласточкин хвост». От осевых перемещений рабочие лопатки фиксируются пластинчатыми замками.

Статор КВД состоит из корпуса, в котором установлены шесть венцов направляющих аппаратов и семь рабочих колец. Корпус КВД — цельный, с двумя фланцами по торцам. На переднем фланце, которым корпус крепится к промежуточному корпусу, выполнены отверстия под шпильки крепления, и одно отверстие вверху, в вертикальной плоскости для штифта, фиксирующего угловое положение КВД относительно промежуточного корпуса. На заднем фланце выполнен ряд отверстий под винты крепления к корпусу камеры сгорания, и одно отверстие, в которое запрессован штифт, фиксирующий окружное положение набора рабочих колец пятой, шестой и седьмой ступеней, направляющих аппаратов четвёртой, пятой и шестой ступеней и корпуса камеры сгорания.

Рабочие кольца всех ступеней цельные, направляющие аппараты всех ступеней имеют разъёмы в диаметральных плоскостях. К внутренним кольцам направляющих аппаратов приварены по два лабиринтных кольца межступенчатых воздушных уплотнений. Рабочие кольца и лабиринтные кольца направляющих аппаратов имеют мягкие, легко прирабатываемые покрытия.

Передняя опора ротора — шариковый, радиально-упорный подшипник с разрезной внутренней обоймой. Наружная обойма подшипника установлена в упругом стакане типа «беличье колесо» с жёстким ограничителем хода для демпфирования колебаний ротора. Фланец упругого стакана крепится к промежуточному корпусу. Смазка шарикоподшипника осуществляется тремя форсунками, установленными на корпусе центрального привода. Проникновению масла в полость ротора препятствуют два контактных уплотнения и одно лабиринтное. Камера сгорания двигателя кольцевого типа, прямоточная. Предназначена для превращения химической энергии топлива в тепловую и подвода тепла к рабочему телу (воздуху).

Читать еще:  Двигатель 21214 троит при запуске

Камера сгорания расположена между КВД и сопловым аппаратом турбины высокого давления, состоит из корпуса, диффузора со спрямляющим аппаратом ступени КВД и жаровой трубы. Камера сгорания диффузором сцентрирована по рабочему кольцу ступени КВД и соединена передним фланцем корпуса с помощью болтового соединения. К сопловому аппарату ТВД и статору ТНД камера сгорания закреплена задним фланцем корпуса с помощью болтового соединения, в котором часть болтов выполнена призонными. Диффузор со спрямляющим аппаратом ступени КВД установлен в корпусе камеры сгорания и закреплен на его переднем фланце. Диффузор состоит из наружной и внутренней оболочек, соединенных между собой спрямляющими лопатками.

Жаровая труба кольцевого типа подвешена в кольцевом канале корпуса камеры сгорания на полых втулках, окружающих рабочие топливные форсунки и фиксирующихся по отверстиям в обтекателе. Своим наружным и внутренним кожухами жаровая труба опирается на сопловой аппарат ТВД.

Турбина — осевая, реактивная, пятиступенчатая. От первой ступени приводится КВД, от второй — КНД, от 3-5 ступеней приводится вентилятор.

Передняя опора — шариковый, радиально-упорный подшипник с разрезной внутренней обоймой. Наружная обойма установлена в стакане типа «беличье колесо», поверх его одет корпус опоры. Между корпусом опоры и упругим стаканом предусмотрена замкнутая полость. ограниченная маслоуплотнительными кольцами, которая заполняется маслом, образуя масляный демпфер во время работы двигателя. Задняя опора каскада низкого давления — роликоподшипник, монтируется в стакане ТНД. Передняя опора каскада высокого давления — шариковый, радиально-упорный подшипник с разрезной внутренней обоймой. Наружная обойма установлена в стакане типа «беличье колесо», с жестким ограничителем хода (нелинейно-упругая опора). Задний роликовый подшипник на масляном демпфере. Задние подшипники каскада НД и ВД сведены в одну смазочную полость, которая находится за рабочим колесом ТНД.

  • Чрезвычайная тяга на уровне моря при МСА — 6500 кгс
  • Удельный расход топлива — 0,63 кг на кгс в час
  • Крейсерский режим на высоте 8 км, при скорости 0,75 Маха — 1600 кгс
  • Масса — 1124 кг

КПД электродвигателя

КПД и мощность электродвигателя

КПД и мощность — это то, на что в первую очередь стоит обратить внимание при выборе асинхронного электродвигателя АИР. Суть работы любого эл двигателя заключается в том, что электрическая энергия, с сопутствующими преобразованию потерями, превращается в механическую. Чем меньше потери при протекании данного процесса, тем выше его КПД и тем эффективнее эл двигатель.
Но, при всей важности коэффициента полезного действия, не стоит забывать о мощности мотора. Ведь даже при чрезвычайно высоком КПД и выдаваемой им мощности может быть недостаточно для решения необходимых вам задач. Поэтому при покупке очень важно знать не только, чему равен КПД электродвигателя, но и какую полезную мощность он сможет выдать на своем валу. Оба эти значения должны быть указаны производителем. Порой бывает и такое, что нет доступа к паспорту мотора (например, если вы покупаете его “с рук”, что крайне не рекомендуется делать) и приходится самостоятельно вычислять столь важные параметры.
Для начала стоит определить: что такое коэффициент полезного действия, или попросту КПД. И так, это отношение полезной работы к затраченной энергии.

Определение КПД электродвигателя

Получается, для того чтобы определить этот параметр необходимо сравнить выдаваемую им энергию с энергией, необходимой ему чтобы функционировать. Вычисляется КПД с помощью выражения:

η=P2/P1
где η — КПД

P2- полезная механическая мощность электромотора, Вт
P1- потребляемая двигателем электрическая мощность, Вт;

Коэффициент полезного действия это величина, находящаяся в диапазоне от 0 до 1, чем ближе ее значение к единице, тем лучше. Соответственно, если КПД имеет значение 0,95 — это показывает, что 95 процентов электрической энергии будут преобразованы им в механическую и лишь 5 процентов составят потери. Стоит отметить, что КПД не является постоянной величиной, он может меняться в зависимости от нагрузки, а своего максимума он достигает при нагрузках в районе 80 процентов от номинальной мощности, то есть от той, которую заявил производитель мотора. Современные асинхронные электродвигатели имеют номинальный КПД (заявленные производителем) 0,75 — 0,95.
Потери при работе двигателя в основном обусловлены нагревом мотора (часть потребляемой энергии выделяется в виде тепловой энергии), реактивными токами, трением подшипников и другими негативными факторами.
Под мощностью мотора понимают механическую мощь, которую он выдает на своем валу. В целом же мощность — это параметр, который показывает, какую работу совершает механизм за определенную единицу времени.

КПД электродвигателя это очень важный параметр определяющий, прежде всего эффективность использования энергоресурсов предприятия . Как известно КПД электродвигателя значительно снижается после его ремонта, об этом мы писали в этой статье. При уменьшении коэффициента полезного действия будут соответственно увеличены потери электроэнергии. В последнее время набирают популярность энергоэффективные электродвигатели разных производителей, в России популярны моторы производства ОАО «Владимирский электромоторный завод». Любые асинхронные электродвигатели представлены в каталоге продукции. Дополнительную полезную информацию Вы можете посмотреть в каталоге статей.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector