автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Характеристики турбин малоразмерного турбокомпрессора с плоскими непрофилированными пластинами в кольцевом канале

На правах рукописи

Чернов Константин Викторович

Характеристики турбин малоразмерного турбокомпрессора с плоскими непрофи-лированными пластинами в кольцевом

канале.

Специальность 05.04.02 - «Тепловые двигатели»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г. Набережные Челны 2003 г.

Работа выполнена на кафедре «Двигатели внутреннего сгорания» Камского государственного политехнического института (КамГПИ).

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Л.В. Горюнов

Научный консультант:

Кандидат технических наук, доцент В.В. Румянцев

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор А.П. Тунаков

Кандидат технических наук, доцент , Ю.В.Дроздов [

Ведущее предприятие: ОАО «КАМАЗ», г. Наб.Челны

Защита диссертации состоится « 2003 г. в /3 часов на

заседании диссертационного совета Д 212.079.02 при Казанском Государственном Техническом Университете (КАИ) по адресу: 420111, г. Казань, ул. К.Маркса 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ (КАИ) им. А.Н.Туполева.

Автореферат разослан « » ьХЛ&лА. 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.Г.Каримова

£-оо?-А

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Использование газотурбинного наддува в двигателях внутреннего сгорания является средством решения следующих основных задач:

1. Форсирование двигателя при неизменных рабочем объеме и номинальной частоте вращения коленчатого вала.

2. Обеспечение работы двигателя без существенной потери мощности при эксплуатации в высокогорных условиях.

3. Снижение удельного эффективного расхода топлива за счет утилизации энергии расширения выхлопных газов и снижения доли механических потерь.

4. Улучшение воздухоснабжения двигателя путем повышения массы заряда.

5. Обеспечение совместно с системой промежуточного охлаждения надувочного воздуха постоянно растущих требований по токсичности отработавших газов.

Использование над дува позволяет повышать мощность серийных автомобильных двигателей, т.е. даёт возможность в течение длительного срока улучшать показатели двигателей в соответствии с возрастающими требованиями к динамическим качествам и грузоподъёмности автомобилей. Основной тип агрегата наддува для транспортных дизелей (автотракторных) - турбокомпрессор (ТКР), включающий центробежный компрессор и радиально-осевую турбину.

Доля дизелей с наддувом в производственной программе крупных двигателестроительных фирм постоянно растет. Так, например, ОАО КАМАЗ полностью отказалось от производства дизелей со свободным впуском. В свете этого актуальным является дальнейшее повышение КПД комбинированного двигателя внутреннего сгорания (КДВС) и во многом этот рост определяется ростом КПД турбокомпрессора. Поэтому повышение эффективности работы турбины, как источника энергии в ТКР, является важным фактором при проектировании новых и модернизации существующих двигателей.

Цель исследований. Цель настоящей работы заключается в повышении КПД радиально-осевой турбины малоразмерного турбокомпрессора за счет совершенствования рабочего процесса в кольцевом участке и в уточнении методики газодинамического расчета турбины с учетом особенностей геометрии ее корпуса..

Объекты исследований. Турбина турбокомпрессора ТКР 7Н-1 с безлопаточным направляющим аппаратом (БНА), а также с устанавливаемыми в кольцевом участке сменными вставками с плоскими непрофилирован-ными направляющими пластинами. ________

Научная новизна диссертации.

На основе теоретического анализа и опытных данных, полученных в

работе:

1. сделаны заключения о структуре течения газа в БНА и о неравномерности угла выхода потока, не только по окружности, но и по высоте кольцевого участка в результате проведения визуализации и траверси-рования газового потока в БНА.

2. предложено использование плоских непрофилированных пластин в БНА с целью снижения неравномерности потока и повышения КПД турбины.

3. даны рекомендации по выбору оптимальной густоты и по определению расходных характеристик радиально-осевых турбин (РОТ) с плоскими направляющими непрофилированными пластинами в кольцевом участке.

4. предложена методика оценки основных параметров ступени РОТ (как с пластинами, так и без них) с учетом результатов опытного исследования.

5. разработана методика оценки потерь в корпусах малоразмерных радиально-осевых турбин (МРОТ) с учетом особенностей их геометрии.

Практическая значимость работы.

Применение направляющих пластин в кольцевом участке турбины позволяет повысить ее КПД, а значит и экономические показатели всего двигателя внутреннего сгорания. Повышение КПД связано со снижением неравномерности угла выхода потока из кольцевого участка ах и более равномерным подводом газа на лопатки рабочего колеса, а также с оптимизацией значения самого угла а\ и густоты пластин.

Показана возможность расширения диапазона режимов работы малоразмерного ТКР за счет применения вставок с плоскими непрофилированными пластинами.

Результаты испытания турбины со сменными вставками в кольцевом участке могут быть использованы при разработке регулируемого соплового аппарата турбины малоразмерного турбокомпрессора.

Реализация работы. Работа выполнялась в соответствии с договором о творческом научно-техническим сотрудничестве между Камским государственным политехническим институтом и ОАО КАМАЗ №1698/17/01020, а также в рамках госбюджетной темы НИР. Материалы данной работы переданы для изучения с целью дальнейшего использования в ОАО КАМАЗ, а также применяются в учебном процессе на кафедре ДВС КамГПИ при чтении курса «Агрегаты наддува двигателей» и в дипломном проектировании.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Результаты визуализации течений в корпусе турбины с безлопаточным направляющим аппаратом.

2. Результаты опытного исследования турбокомпрессора ТКР 7Н-1 с плоскими ^профилированными пластинами.

3. Рекомендации по выбору оптимальной густоты пластин в кольцевом участке для малоразмерных турбин агрегатов наддува КДВС.

4. Влияние густоты пластин на расходные характеристики турбины.

5. Результаты траверсирования турбины с установленными в ней направляющими пластинами.

6. Методика оценки параметров малоразмерной радиально-осевой турбину по ограниченному числу опытных данных при известной геометрии рабочего колеса.

Апробация работы. Результаты данной работы были представлены на 4 конференциях, в том числе на научно-практической конференции «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АВТОМОБИЛЕЙ И ДВИГАТЕЛЕЙ В РЕСПУБЛИКЕ ТАТАРСТАН», проводившейся ОАО КАМАЗ в 1999 г., и на II Международной научно-практической конференции «АВТОМОБИЛЬ И ТЕХНОСФЕРА» в КГТУ КАИ в 2001 г, а также на расширенном заседании кафедры турбомашин Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, отражающих содержание работы, выводов, списка литературы, насчитывающего 63 наименования. Диссертация содержит 114 страниц машинописного текста, 70 рисунков, 8 таблиц и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность применения газотурбинного наддува и необходимости повышения КПД турбокомпрессора.

В первой главе диссертации установлено, что основным типом турбокомпрессоров, применяемых для наддува автотракторных дизелей является турбокомпрессор типа ТКР, состоящий из радиально-осевой турбины (РОТ) и центробежного компрессора.

На основе анализа литературы установлено, что турбина может выполняться как с лопаточным сопловым (ЛСА), так и с безлопаточным направляющим аппаратом. Турбина с ЛСА имеет более высокие значения максимального эффективного КПД, однако диапазон ее эффективной работы уже и, кроме того, сопловой аппарат (СА) такой турбины более протяженный, что ведет к увеличению габаритов ТКР. Турбины с БНА для согласования характеристик ТКР и комбинированного двигателя внутреннего сгорания (КДВС) выполняются с различными вариантами корпусов, отличающихся размерами

проходных сечений. Число таких вариантов корпусов может доходить до шести. БНА состоит из трех основных элементов: входного патрубка, обычно выполняющего функции и разгонного участка, спиральной камеры и кольцевого участка (КУ), сглаживающего окружную неравномерность потока, выходящего из корпуса на рабочее колесо (PK) турбины.

В работах многих авторов (Гатауллина H.A., Зарянкина А.Е., Каминского В.Н., Магзумьянова Р.Ф., Мидзумати Н., Наталевича A.C., Симеона А.Э., Тунакова А.П., Тихонова Н.Т., Ханина Н.С., Шерстюка А.Н. и др.) говорится о сложности характера течения газа в корпусе РОТ. При этом приводятся в основном результаты по окружной неравномерности.

В главе рассмотрены основные методы расчета МРОТ. Обычно, в качестве исходных данных при расчете задаются параметры перед КУ турбины. Большинство же турбин автотракторных турбокомпрессоров имеют конфу-зорный входной патрубок со степенью конфузорности (отношением площадей) 1,3+2,3. Поэтому пренебрежение потерями во входном патрубке и в спиральной камере (CK) ведет к возникновению значительной погрешности расчета.

Были сформулированы следующие задачи исследования:

1. Провести опытное исследование кольцевого участка с целью определения структуры течения газа в нем и оценки неравномерности угла выхода потока как по окружности, так и по высоте,

2. Разработать методику исследования турбины малоразмерного ТКР.

3. Провести холодные и горячие испытания турбины с БНА в составе турбокомпрессора и визуализацию течения в ее корпусе.

4. Повышение КПД турбины серийно выпускаемого турбокомпрессора за счет снижения неравномерности угла выхода потока из кольцевого участка без существенных конструктивных изменений корпуса.

5. На основе опытного исследования установить зависимость эффективного КПД турбины с направляющими пластинами от основных геометрических и режимных параметров.

6. Разработать методику оценки параметров ступени турбины с учетом результатов опытного исследования.

Во второй главе представлена методика расчета МРОТ с учетом результатов эксперимента. В качестве исходных данных при расчете турбины автотракторного турбокомпрессора известными являются параметры перед турбиной. Для расчета потерь во входном патрубке, который, как уже отмечалось, обычно выполняется конфузорным можно воспользоваться эмпирическими зависимостями (Идельчик И.Е.).

Коэффициент трения при течении в пирамидальном конфузоре:

0,3161 ,,

Хтр = 025 - коэффициент сопротивления трения единицы относительной Яе '

длины, Кс = с"х - число Рейнольдса, свх=——— - скорость на входе, V РехРвх

Р0 4 р

р0 —--плотность газа; Д, =—— - гидравлический диаметр.

/ггт0 П

коэффициент местного сопротивления:

=(-0,0125по + 0,0224«о -0,00723«^ + 0,00444яо-0,(Ю745)х

• -(кг™)5 -1о«с,цш')

общий коэффициент сопротивления конфузора:

тр ^ м

скоростной коэффициент входного участка:

Для рассматриваемой турбины <рах составляет практически на всех режимах работы 0,965 при продувке на горячем газе и 0,968 при работе на холодном воздухе. Т.е. практически не зависит от 70*, что связано с одновременным влиянием на число Рейнольдса как скорости Свх, которая растет с ростом температуры, так и кинематической вязкости у, которая, оказывая обратно пропорциональное влияние, также уменьшается с падением Т0 .

Скоростной коэффициент кольцевого участка (КУ) турбины турбокомпрессора ТКР 7Н-1, подсчитанный аналогично <рвх , подтверждает данные, приведенные в литературе и равен 0,99.

Коэффициент гидравлического сопротивления спиральной камеры определяется по эмпирической зависимости, предложенной А.Н. Шерстюком и А.Е. Зарянкиным:

= 7,6 х Яе~°3, откуда <рсп =

для рассматриваемой турбины без пластин на расчетном режиме <рсп = 0,86.

Зная коэффициенты гидравлических сопротивлений или скоростные коэффициенты элементов, составляющих корпус турбины, можно определить параметры газа перед рабочим колесом. Замер Р{ в ходе эксперимента не представляется возможным в силу малого радиального зазора между выходным сечением КУ и РК, поэтому обычно в расчетах степень реактивности на расчетном режиме задается. Кроме того, значения р на режимах отличных

от расчетного не остается постоянной. Известные методики этого не учитывают. В методике, блок-схема которой приведена на рис.1, предлагается метод непосредственного расчета р.

*

Н0 и С1н

С1 ,Р1,Т|»Р1

гшЬЕЕЗЧ^]

<*гН

Нрк,Т2

р2

Нвых>Нтв»

Нпер»^Н

( !Со№Щ 3

Рис. 1. Блок-схема расчета МРОТ Методика проверялась по экспериментальным данным, в результате чего было достигнуто полное совпадение экспериментальных и расчетных параметров.

В третьей главе дано описание опытного стенда. За основу был взят стенд безмоторного испытания турбокомпрессоров ОАО КАМАЗ. Для проведения визуализации и траверсирования газового потока он был модернизирован.

Замеряемые параметры и погрешности их измерения приведены в

табл. 1.

Таблица 1.

Замеряемые параметры и погрешности их измерения

№ п/п Измеряемые параметры, единица измерения Диапазон изменения параметров Предельные абсолютные погрешности измерения Предельные относительные погрешности

1. Рму, кПа (мм. вод. ст.) 0...2/75 (0...275) 0,075 (7,5) 0,5

2. Рк2, кПа (мм. вод. ст.) 0...3,40(0...340) 0,075 (7,5) 0,5

3. РК2, кПа (кг/см2) 0...53 (0...0,53) 1,5(0,015) 0,5

4. Тш, *(°с) 286...305 (13...32) 0,5 1,0

5. 285...304 (12...31) 0,5 1,0

6. ткъ, 300...415 (27...142) 1,25 0,5

7. Рп, кПа (кг/см2) 12...143 (0,12...1,43) 1,5(0,015) 0,5

8. РТ2, кПа (мм. вод. ст.) 0,55...12,15 (55...1215) 0,075 (7,5) 0,5

9. Рс, кПа (кг/см2) 10...115 (0,10...1,15) 1,5 (0,015) 0,5

10. ЛРс , кПа (мм. вод. ст.) 0,4... 11 (40... 1100) 0,075 (7,5) 0,5

11. ту,, к(°с) 273...883 (0...610) 3,5 0,5

12. тГ2, 250...835 (-23...562) 3,5 0,5

13. Тс, 277...296 (4...23) 0,5 1,0

14. Ртоп, кПа (кг/см2) 0... 10000(0... 100) 200 (2,0) 2,0

15. г,с 0...60 0,6 1,0

16. И, об/ ' /мин 40000... 100000 12,5 (750) 0,5

17. В0, кПа (мм. рт. ст.) 94...104 (700...780) 0,015 (0,12) 0,15

Схема стенда приведена на рис 2. Известно, что РОТ с ЛСА обладают более высоким КПД, однако, замена БНА лопаточным сопловым аппаратом сопряжена с необходимостью создания нового корпуса турбины, профилирования сопловых лопаток. Все это связано с большими материальными затратами. В работе предлагается промежуточный вариант, когда в корпусе штатной турбины турбокомпрессора ТКР 7Н-1 с БНА устанавливаются вставки с плоскими непрофилированными направляющими пластинами (рис.3).

Пластины изготовлены из листовой стали и закреплены в пазах на кольцевом диске сваркой (рис.4). Шаг пластин выбирался по известным рекомендациям для ЛСА, т.е. для турбины такой размерности относительный

шаг /= у = 0,6...0,7, где /, - шаг решетки на выходе, Ь - хорда профиля, т.о.

при данной размерности турбины число пластин, исходя из вышесказанного, должно быть 30. ..36.

Рис.2. Схема испытательного стенда.

Для коротких плоских пластин оптимальная густота может отличаться от густоты решетки лопаток, поэтому после проведения всего комплекса продувок турбин с такими вставками, пластины через одну выламывались и продувки повторялись уже с числом пластин равным 15 и 18, относительный шаг Г в эксперименте принимал значения 1,39 (15 пластин), 1,16 (18 пластин), 0,70 (30 пластин) и 0,58 (36 пластин). Т.о. турбина испытывалась с четырьмя группами вставок. В каждой группе переменным был угол установки пластин. Он принимал значения 12, 14, 16,18 и 20 градусов.

Рис.3. Установка вставки в корпусе турбины

Рис. 4. Сменная вставка с пластинами

Рис.5. Схема приспособления для траверси-рования потока

Для турбины с установленной в ней вставкой с 30 пластинами и углом их установки 16° было проведено траверсирование потока. С этой целью рабочее колесо турбины было заменено имитатором, в корпусе со стороны подшипникового узла был установлен трехканальный приемник давления, вращающийся в специальном приспособлении вокруг оси турбины и имеющий подвижность вдоль этой оси. Схема приспособления, установленного на испытательном стенде для замера углов представлена на рис.5.

Для сравнительного анализа характера течений в корпусе с пластинами и без них в штатной турбине турбокомпрессора ТКР 7Н-1 была проведена визуализация потока методом обращаемых красок, предложенным С.Раймондом (Лаборатория баллистических исследований армии США).

Продувка корпуса проводилась при нормальных условиях, вместо колеса тур-

бины устанавливался имитатор 3 (рис.6). Внутри турбины на экране 2 крепились диски 1 из фольги с нанесенным на них специальным составом, представляющим собой смесь белой краски и фенолфталеина (С2оИ^04). При взаимодействии со щелочью (раствором едкого калия КОН в воде) данный состав окрашивался в ярко-малиновый цвет. Пластина 1 закреплялась в центре посредством вкручивания имитатора в экран, а на диаметре путем обжатия в корпусе 5 турбины в месте посадки экрана. Экран прижимался болтами

к корпусу. Впрыск щелочи производился через отверстия в иглах 4, наружный диаметр которых равен 0,8 мм.

Отверстия под иглы расположены на диаметре 114 мм экрана 2, что дает возможность для отслеживания течения воздуха по траектории следа капель щелочи, оставленной на специальном составе, как в самой улитке, так и в КУ корпуса. Впрыск щелочи осуществлялся в 11 отверстиях, которые видны черными точками на периферии (рис.7.).

В четвертой главе приведены результаты опытного ис-Рис.6. Схема приспособления для визуа- следования турбины. Показаны лизации потока результаты визуализации газового

потока. Пример фотографии пластины 1 (рис.6) с оставленными реагентом следами представлен на рис.7. Ноль на рисунке соответствует входу потока в улитку, стрелка показывает направление потока. Фотографирование всей внутренней полости улитки, на которой также отображалась картина течения, оказалось технически невозможным.

Рис. 7. Фотография результатов визуализации течения в корпусе турбины турбокомпрессора ТКР 7Н-1 с БНА при вг =0,081 «г/

По оставленным на пластине следам были сделаны замеры угла выхода потока из КУ, как показано на рис.8. Результаты замера на одном из режимов (С7. = 0,159*^/) приведены

на рис.9 (верхняя кривая).

Таким образом, картина течения в корпусе турбины на пред-включенном (до КУ) участке имеет сложный пространственный характер, безлопаточный направляющий аппарат работает неэффективно. Очевидно, что в таком случае не стоит ожидать от КУ обеспечения оптимального направления потока газа на рабочие лопатки турбины. Поэтому была сделана попытка снижения неравномерности по <р и по высоте канала.

Рис.9. Результаты траверсирования потока С это целью были проведены испытания турбины с установленными в ней вставками, представляющими собой плоские направляющие непрофили-рованные пластины, закрепленные на кольцевом диске. Так как выравнивание потока в БНА происходит в кольцевом участке, то пластины были установлены в нем. Далее в главе приведены результаты замера углов на выходе из КУ турбины с установленными пластинами. Траверсирование проводилось при

Рис.8. Схема замера углов

различных расходах воздуха, при этом характер течения в турбине практически не изменяется во всем диапазоне рабочих режимов. На рис.9, показана зависимость от угла сечения турбины углов выхода потока по середине высоты КУ, у стенок, а также нанесена кривая по результатам проведенной визуализации. Сравнение результатов визуализации штатной турбины и траверси-рования турбины с пластинами показывает, что установка пластин не снижает неравномерность угла по окружности, однако позволяет уменьшить неравномерность а\ по высоте.

При испытании турбокомпрессора ТКР 7Н-1 проводились сравнительные холодные и горячие испытания. Холодные испытания проводились на воздухе, забираемом из атмосферы, без подогрева, горячие - в соответствии с ГОСТ 10033-68.

0.6

0,5

0,4

0,3

1

- • •

- А холо дная

т 1У !

* "7 • • м д » * ▼ ? ♦ ♦ ♦ >

А Т

1,1 М 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8

1,9

Рис.10. Холодная и горячая характеристика турбины

Характеристика турбины ТКР 7Н-1, полученная в результате холодной и горячей продувки, представлена на рис.10. Максимумы характеристик соединены огибающей. Для приведения холодных результатов к результатам горячих испытаний при том же зна-*

чении л, можно воспользоваться коэффициентом пропорцио-

нальности:

0,28329+0,38626• я, -0,09822-(ж*У

0,16353 + 0,42684- я, - 0,12633 • (>г* Корректность проведения холодных испытаний и сравнения их результатов с результатами горячих подтверждается практически полным совпадением результатов холодных и горячих продувок на идентичных режимах

п Ы,

(т.е. при совпадении параметров подобия:

л/^Г Л

и ж,).

14 градусов

Пример характеристики турбины с пластинами приведен на рис. 11. В результате анализа характеристик можно сделать заключение об оптимальном шаге пластин для турбины данной размерности. Как видно из рис.12, на котором представлен пример зависимости макси-

1. Характеристика турбины при установке пластин мального эффективного

под углом 14°

КПД турбины от числа лопаток при я* = const

ОБО 055 450 045 040 035 ООО 025 0.20

—я,=1.2(

- *-»,=' Я

nNL4

■ О-.

■

<• я » 27 30 33 X 1.3 1.4 1,5 1.6 1,7 1.8 1.9 2,0

Рис.12. Угол установки пластин 12 " , Р"сЛЗ- Совмещение характеристик частота вращения ротора ТКР 667 '^бшш турбокомпрессора ТКР 7Н-1 _, _ с БНА и с установленными плоскими

с (40000 мин ) ^профилированными пластинами,

на различных режимах и при разных углах установки пластин, максимальный

эффект достигается при 18 пластинах (= 1,16 ).

При установке пластин в безлопаточный направляющий аппарат характеристика турбины протекает круче, чем с БНА, однако максимальный КПД турбины при этом возрастает (рис.13). Для примера выбраны характеристики турбины турбокомпрессора ТКР 7Н-1 со вставкой с 15 пластинами, ауст =14°. Границу эффективности применения пластин можно получить соединением точек пересечения характеристик турбины с пластинами и БНА. В данном случае она описывается эмпирической зависимостью:

п,е =0.28127822 + 0,20622048л* + 0,02089484^-0,093557812^*^ + + 0,051681! 8з[тг* - 0,011310114^*, ^

При этом максимальная погрешность не превышает 3%.

Приведение результатов холодных испытаний к горячим для турбины с 18 пластинами и углом их установки 14° представлено на рис.14. Из графика видно, что максимальный прирост эффективного КПД турбины

Рис.14. Пересчет результатов холодных испытаний турбины в горячие

при установке пластин достигает 14% (при л", = 2,0 ).

п

корпуса

0,99

0.98 -

0,97

0,0В

0,95

1.2 1.4 1.6 1.& 2.0

Рис.15. Изменение скоростного коэффициента корпуса

На рис. 15 представлено изменение скоростного коэффициента корпуса турбины с пластинами и без. Как видно из графика, установка пластин повышает скоростной коэффициент.

Рис.16. Расходные характеристики турбины

* О-у 1 с »

Изменение приведенного расхода газа С>г =-, - через

р Па-с

турбину при холодных испытаниях показано на примере турбины с пластинами, установленными под углом 14° при различном относительном шаге на рис.16.

Здесь же для сравнения нанесен приведенный расход штатной турбины при холодной и горячей продувках. На основании анализа расходных характеристик были получены обобщающие зависимости. Пример такой характеристики для турбины с пластинами установленными под углом 14° приведен на рис.17. На рисунке р - степень загромождения кольцевого участка, т.е. отношение площадей на выходе из него для турбины с пластинами и без них; б - относительный приведенный расход газа через турбину, равный отношению приведенного расхода газа турбины с пластинами к приведенному расходу штатной турбины. Зная потребный расход газа через турбину при подборе турбокомпрессора к поршневой части двигателя, при заданной степени понижения давления газа, пользуясь данной зависимостью, можно определить необходимую густоту пластин.

1-9 градусов

• л/

у/ • /

• ■у/ Я / * 1,4

А - 71 =

- * • — 71 £ = 1,7

_* " - = 2,0

0,8 0.9 1.0 р

Рис.17. Относительный расход турбины при различной густоте пластин

Степень загромождения или, в конечном счете, густота пластин есть функция двух переменных. Ее можно описать с достаточной точностью (максимальная относительная погрешность не превышает 6%) с помощью полинома:

р = 0,4240 + 0,27170+0,107302 + 0,024503 + 0,2227;^- -0,0973^)Р +0,0185^)' Основные выводы и рекомендации:

1. В работе представлены результаты визуализации течений в БНА РОТ. Показано наличие как окружной неравномерности газового потока, так и неравномерности по высоте кольцевого участка МРОТ.

2. Снижение неравномерности потока по высоте может быть достигнуто установкой плоских непрофилированных пластин в кольцевом участке. При этом прирост эффективного КПД турбины достигает 14%.

3. Даны рекомендации по выбору оптимальной густоты пластин для турбин турбокомпрессора ТКР 7. Для турбин данной размерности относительный шаг должен быть ~1,1... 1,2.

4. Использование вставок с различной густотой пластин позволяет создавать модификации турбины с разными расходными характеристиками без изготовления номенклатуры корпусов, отличающихся только площадью нулевого сечения. На сегодня число вариантов корпусов турбины доходит до шести, при использовании же пластин с разной густотой их установки возможно обойтись одним корпусом, снижая тем самым стоимость изготовления ТКР.

1.

ï 2.

i

I

I

3.

4.

5.

6.

I

Был произведен расчет параметров РОТ с учетом потерь, приходящихся отдельно на входной участок, спиральную камеру и кольцевой участок турбины. Проверка результатов расчета проводилась с использованием результатов опытного исследования.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах: Горюнов Л.В., Румянцев В.В., Тиунов C.B., Чернов К.В. Отработка метода визуализации потока в корпусе радиально-осевой турбины. Механика машиностроения. Тезисы докладов. Набережные Челны, 1997, С. 81-82. Румянцев В.В., Тиунов C.B., Чернов К.В. Методика испытаний турбокомпрессора с радиально-осевой турбиной переменной производительности. Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Тепловые двигатели в XXI веке. Фундаментальные проблемы теории и технологии». Казань, 1999. - с.72.

Румянцев В.В., Чернов К.В., Тиунов C.B. Результаты опытного исследования корпуса турбины ТКР7 с лопаточным сопловым аппаратом. Труды юбилейной научно-практической конференции «Перспективы развития автомобилей и двигателей в республике Татарстан». Набережные Челны, 8-9 декабря 1999 г.: Изд-во ОАО «КАМАЗ», 1999, С. 108-110. Тиунов C.B., Чернов К.В. Результаты опытного исследования газодинамики корпуса турбины турбокомпрессора ТКР7. Межвузовский сб. «Проблемы конструирования, производства и эксплуатации колесных машин», Набережные Челны, 1999, С.71-73.

Румянцев В.В., Чернов К.В. Результаты опытного исследования малоразмерной радиально-осевой турбины с регулируемым сопловым аппаратом. II Международная научно-практическая конференция «Автомобиль и техносфера», Казань, 13-15 июля 2001 г., с. 227-231. Румянцев В.В., Чернов К.В. Методика оценки параметров турбины малоразмерного турбокомпрессора по ограниченному количеству опытных данных. II Международная научно-практическая конференция «Автомобиль и техносфера», Казань, 13-15 июля 2001 г., с.224-226.

ИМ0624

ЛР N 020342 от 7.02.97 г ЛР № 0137 от 2.10.98 г. Подписано в печать 19.05 01 г. Формат 60x84/16 Бумага офсетная Печать римграфическая Уч.-изд.л 1.2 Усл.-печ.л. 1,2 Тираж 100 экз.

Заказ 1786//^ Издательско-полиграфический центр Камского государственного политехнического института

423810, г. Набережные Челны. Новый город, проспект Мира, 13

Список сокращений ''

Список условных обозначений

Введение

Глава 1. Обзор литературы по тематике исследования. Анализ состояния вопроса.

1.1. Конструктивные особенности агрегатов наддува авто- ^ ^ тракторных дизелей. 1.2 Анализ рабочего процесса и методы расчета радиально-осевой турбины

1.3. Экспериментальное исследование характеристик малоразмерных радиально-осевых турбин.

1.4. Постановка задач на исследование.

Глава 2. Теоретическое исследбьание особенностей течения газа в турбине с пластинами, установленными в кольцевом участке.

2.1. Влияние геометрии кольцевого участка ступени РОТ на ее эффективный КПД.

2.2. Методика расчета радиально-осевой турбины.

Глава 3. Опытное исследование турбины малоразмерного ТКР

3.1. Опытный стенд и объекты исследования.

3.1.1. Опытный стенд.

3.1.2. Объекты исследования

3.2. Методика проведения экспериментов. Оценка погрешности измерений.

Глава 4. Результаты опытного исследования турбины при установке плоских пластин»в кольцевом участке.

4.1. Результаты визуализации и траверсирования газового потока в корпусе малоразмерной радиально-осевой турбины.

4.2. Влияние температурного фактора на характеристики турбины.

4.3. Влияние установки пластин на характеристики турбины. 74 Выводы 85 Список использованной литературы

Использование газотурбинного наддува в двигателях внутреннего сгорания является средством решения следующих основных задач [1, 11, 30, 54, 56, 61]:

1. Форсирование двигателя при неизменном рабочем объеме и номинальной частоте вращения коленчатого вала.

2. Обеспечение работы двигателя при его эксплуатации в высокогорных условиях.

3. Возможность снижения удельного эффективного расхода топлива за счет использования энергии отработавших газов.

4. Улучшение воздухоснабжения двигателя путем повышения массы заряда.

5. Обеспечение совместно с системой промежуточного охлаждения наддувочного воздуха постоянно растущих требований по токсичности отработавших газов.

Использование наддува позволяет повышать мощность серийных автомобильных двигателей, т.е. даёт возможность в течение длительного срока улучшать показатели двигателей в соответствии с возрастающими требованиями к динамическим качествам и грузоподъёмности автомобилей [61]. Основной тип агрегатов наддува для транспортных дизелей (автотракторных) - турбокомпрессор, включающий центробежный компрессор и радиально-осевую турбину [44, 47,49, 52, 53, 54].

Из-за большей продолжительности впрыска топлива и его сгорания, эмиссия окислов азота у дизелей с наддувом значительно меньше, т.о. применение наддува является одним из средств выполнения требований по ограничению токсичности выхлопа [28].

Доля дизелей с наддувом в производственной программе крупных двига-телестроительных фирм постоянно растет. Так, например, ОАО КАМАЗ полностью отказалось от производства дизелей со свободным впуском. Естественно, что актуальным при этом является повышение КПД КДВС и во многом этот рост определяется ростом КПД турбокомпрессора. Поэтому повышение эффективности работы турбины, как источника энергии в ТКР, является важным факр. тором при проектировании новых и модернизации существующих двигателей [6,7,8,14,16,51].

Одним из путей повышения КПД турбины является уменьшения вторичных течений, возникающих в корпусе. В литературе есть данные по неравномерности угла выхода потока из корпуса по окружности, однако, данные о неравномерности по высоте канала отсутствуют.

Цель работы.

Цель настоящей работы заключается в повышении КПД радиально-осевой турбины малоразмерного турбокомпрессора за счет совершенствования рабочего процесса в корпусе.

Научная новизна.

На основе теоретического анализа и опытных данных, полученных в работе:

1. сделаны заключения о структуре течения газа в БНА и о неравномерности угла выхода потока, не только по окружности, но и по высоте кольцевого участка в результате проведения визуализации и траверсирования газового потока в БНА.

2. предложено использование плоских непрофилированных пластин в БНА с целью снижения неравномерности потока и повышения КПД турбины.

3. даны рекомендации по выбору оптимальной густоты и по определению расходных характеристик радиально-осевых турбин (РОТ) с плоскими направляющими непрофилированными пластинами в кольцевом участке.

Достоверность результатов исследования

Степень достоверности результатов проведенных исследований гарантируется применением современных методов исследования, основанных на методах, применяемых производителями турбокомпрессоров, и соответствием ГОСТ 10033-68, обоснованностью используемых допущений, созданием работоспособной опытной установки на базе стенда испытания турбокомпрессоров ОАО КАМАЗ, применением современной аттестованной аппаратуры, расчетом погрешности измерения и удовлетворительным совпадением полученных экспериментальных данных с результатами расчетов.

Практическая значимость работы.

Применение направляющих пластин в кольцевом участке турбины позволяет повысить ее КПД, а значит и экономические показатели всего двигателя внутреннего сгорания. Повышение КПД связано со снижением неравномерности угла выхода потока из кольцевого участка от, и более равномерным подводом газа на лопатки рабочего колеса, а также с оптимизацией значения самого угла от,.

Показана возможность расширения диапазона рабочих режимов работы малоразмерного ТКР за счет применения вставок с плоскими непрофилирован-ными пластинами.

Результаты испытаний могут быть использованы при разработке регулируемого соплового аппарата турбины малоразмерного турбокомпрессора.

Практическая реализация.

Материалы данной работы переданы для изучения с целью дальнейшего использования в ОАО КАМАЗ, а также применяются в учебном процессе на кафедре ДВС Камского государственного политехнического института при чтении курса «Агрегаты наддува двигателей» и в дипломном проектировании.

Методы и объекты исследований.

При выполнении работы использовались как теоретические, так и экспериментальные методы. В качестве объекта исследований служил нерегулируемый малоразмерный турбокомпрессор TKP7H-1 с безлопаточным направляющим аппаратом турбины, серийно выпускаемый ОАО КАМАЗ. Исследования проводились на безмоторном стенде испытания турбокомпрессоров ОАО КАМАЗ, который был модернизирЪван с учетом поставленной цели исследования.

Апробация работы.

Результаты данной работы были представлены на 4 конференциях, в том числе на научно-практической конференции «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АВТОМОБИЛЕЙ И ДВИГАТЕЛЕЙ В РЕСПУБЛИКЕ ТАТАРСТАН», проводившейся ОАО КАМАЗ в 1999 г., и на II Международной научно-практической конференции «АВТОМОБИЛЬ И ТЕХНОСФЕРА» в КГТУ (КАИ) в 2001 г, а также на расширенных заседаниях кафедры турбомашин Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева и кафедры ДВС КамПИ.

Личный вклад.

При выполнении работы соискателем была разработана методика проведения эксперимента, проведена модернизация испытательного стенда, изготовлены объекты исследования, проведен эксперимент с последующей обработкой и обобщением результатов.

Публикации.

По данной работе имеется 6 публикаций.

Состав диссертации.

Диссертация состоит из 4 глав, отражающих содержание работы, выводов, списка литературы, насчитываемого 63 наименования и 1 приложение.

Диссертация содержит 97 страниц машинописного текста, 68 рисунков, 8 таблиц.

Положения выносимые на защиту

1. Результаты визуализации течений в корпусе турбины с безлопаточным направляющим аппаратом.

2. Результаты опытного исследования турбокомпрессора ТКР 7Н-1 с плоскими ^профилированными пластинами.

3. Рекомендации по выбору оптимальной густоты пластин в кольцевом участке для малоразмерный турбин агрегатов наддува КДВС.

4. Влияние густоты пластин на расходные характеристики турбины.

5. Результаты траверсирования турбины с установленными в ней направляющими пластинами.

Выводы.

В качестве основных выводов и рекомендаций по проделанной работе можно заключить:

1. Применение направляющих пластин практически не снижает окружную неравномерность угла ах, однако подтягивает ах к расчетному значению и выравнивает поток по высоте кольцевого канала, повышая максимальный эффективный КПД турбины до 10% при холодных испытаниях и на 14% (при = 2,0) при работе на горячем газе.

2. Даны рекомендации по выбору оптимальной густоты пластин для турбин турбокомпрессора ТКР 7. Для турбин данной размерности

9• t = — должен быть ~ 1,1. 1,2. Ь

3. Использование вставок с различной густотой пластин позволяет создавать модификации турбины с разными расходными характеристиками без изготовления номенклатуры корпусов, отличающихся только площадью нулевого сечения. На сегодня число вариантов корпусов турбины доходит до шести, при использовании же пластин с разной густотой их установки возможно обойтись одним корпусом, снижая тем самым стоимость изготовления ТКР.

1. Абапяев А.Ю. Совершенствование процесса впуска двухцилиндрового дизеля с турбонаддувом. Автореферат диссертации на соисканиер.ученой степени к.т.н. Владимир, 1999. - 16 с.

2. Аэродинамика турбин и компрессоров / Под ред. У.Р. Хауторна (W.R. Hawtorn). М.: Машиностроение 1968. - 742 е., ил.

3. Байков Б.П., Бордуков В.Г., Иванов П.В., Дейч Р.С. Турбокомпрессоры для наддува дизелей. Справочное пособие. JI., «Машиностроение» (Ленинградское отделение), 1975. 200 е., с ил.

4. Барский И.А. Изменение параметров турбокомпрессора по режимам. «Двигателестроение» №10 1986 г. стр. 28-30.

5. Бекнев B.C., Михальцев В.Е., Шабаров А.Б., Янсон Р.А. Турбомашир.ны и МГД-генераторы газотурбинных и комбинированных установок: Учебное пособие для студентов втузов, обучающихся по специальности «Турбостроение» М.: Машиностроение, 1983 г., 392 с.

6. Гатауллин Н.А. Разработка, исследовательские испытания и доводка малоразмерных турбокомпрессоров. Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени к.т.н. Казань, 1998. - 22 с.

7. Горюнов Л.В., Румянцев В.В., Тиунов С.В., Чернов К.В. Отработка метода визуализации потока в корпусе радиально-осевой турбины. Механика машиностроения. Тезисы докладов. Набережные Челны, 1997, С. 81-82.

8. ГОСТ 9658-81. Турбокомпрессоры для наддува дизелей и газовых двигателей.

9. Двигатели внутреннего сгорания: Учеб. для вузов по спец. «Строительные и дорожные машины и оборудование» / Хачиян А.С., Морозов К.А., Луканин В.Н. и др.; Под ред. В.Н. Луканина. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Высш. шк., 1985. - 311 е., ил.

10. Дейч Р.С., Ципленкин Г.Е. Развитие турбокомпрессоров для наддува дизелей. Двигатели внутреннего сгорания (обзорная информация) -М.: ЦНИИТЭИ тяжмаш., 1983, вып. 3. - 38 с.

11. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О.ШтейнбергаГ 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение 1992.-672 е., ил.

12. Каминский В.Н. Научные основы создания малоразмерных турбокомпрессоров для быстроходных транспортных двигателей. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. г. Брежнев 1985 г.

13. Кленин Ю.П., Тихонов Н.Т. Исследование влияния некоторых геометрических параметров на КПД радиально-осевой воздушной микротурбины. «Авиационная техника»

14. Крутов В.И., Рыбальченко А.Г. Регулирование турбонаддува ДВС: Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1978. - 213 е.: ил.

15. Лапшин Ф. Эра курсора. Авторевю, №25 (185), 1998.

16. Локай В.И., Максутова М.К., Стрункин В.А. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1979. 447 с.

17. Луговин К.И. Совершенствование методов расчета выходных устройств центробежных компрессоров на основе их экспериментального исследования. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Казань, 2002 г.

18. Магзумьянов Р.Ф. Зависимость удельной изоэнтропной работы турбины от угла поворота заслонки регулируемого турбокомпрессора // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Механика машиностроения», г.Наб.Челны, КамГТИ, 1997, С. 78-79.

19. Магзумьянов Р.Ф. Разработка и исследование малоразмерного турбокомпрессора с парциальным регулированием турбины. Автореферат диссертации к.т.н. Уфа, УГАТУ, 2000.

20. Максутова М.К. Влияние показателя адиабаты к на характеристику центробежного компрессора. Труды Казанского авиационного института. Вып. 86. 1964 г., стр. 58-71.

21. Митрохин В.Т. Выбор параметров и расчет центростремительной турбины на стационарных и переходных режимах. М., «Машиностроение», 1974, 228 с.

22. Наддув и нагнетатели, автомобильных двигателей. М., Машиностроение, 1965, 219с. Авт. Ханин Н.С., Шерстюк А.Н., Зайченко Е.Н., Ди-неев Ю.Н.

23. Наталевич А.С. Воздушные микротурбины. 2-е изд., перераб. и доп. М., «Машиностроение», 1979 - 192 е., ил.

24. Основы научных исследований: Учеб. для техн. вузов/ В.И. Кругов, И.М. Грушко, В.В. Попов и др.; Под ред. В.И. Крутова, В.В. Попова. -М.: Высш. шк., 1989. 400 е.: ил.

25. Портнов Д.А. Быстроходные турбопоршневые двигатели с воспламенением от сжатия. М.: Машгиз, 1963. - 639 е.: ил.

26. Прикладная газовая динамика. Абрамович Г.Н. Издание 4-е исправленное и дополненное. Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», М., 1976, 888 стр.

27. Работа дизелей в условиях эксплуатации: Справочник / А.К. Костин, Б.П. Пугачев, Ю.Ю. Кочинев; Под общ. ред. А.К. Костина. JL: Машиностроение, Ленингр. отд., 1989. - 284 е.: ил.

28. Ржавин Ю.А. Осевые и центробежные компрессоры двигателей летательных аппаратов. Теория, конструкция и расчет: Учебник. М.: Изд-во МАИ, 1995. - 344 е.: ил.

29. Румянцев В.В., Чернов К.В. Результаты опытного исследования малоразмерной радиально-осевой турбины с регулируемым сопловым аппаратом. II Международная научно-практическая конференция «Автомобиль и техносфера», Казань, 13-15 июля 2001 г., с. 227-231.

30. Румянцев В.В., Чернов К.В. Методика оценки параметров турбины малоразмерного турбокомпрессора по ограниченному количеству опытных данных. II Международная научно-практическая конференция «Автомобиль и техносфера», Казань, 13-15 июля 2001 г., с.224-226.

31. Савельев Г.М., Зайченко Е.Н., Озимов П.Л., Лямцев Б.Ф. Влияние угла входа потока в колесо на характеристику малоразмерной центростремительной турбины'.' «Энергомашиностроение» №3, 1975 г., стр. 3537.

32. Савельев Г.М., Лямцев Б.Ф., Слабов Е.П. Повышение эксплуатационной надежности автомобильных дизелей с наддувом. Учебное пособие для институтов повышения квалификации. Москва, 1988. 96 с. с ил.

33. Системы регулирования давления наддува тракторных и комбайновых дизелей. Серия «Тракторы и двигатели», №3. М.: ЦНИИТЭИ Трак-торсельхозмаш, 1982. - 39 е.: ил.

34. Стечкин Б.С., Казанжан П.К., Алексеев Л.П., Говоров А.Н., Нечаев Ю.Н., Федоров P.M. Теория реактивных двигателей. Лопаточные машины. Под ред. академика Б.С.Стечкина. М.: Оборонгиз, 1956, 548 е., с ил.

35. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей / Под. ред. С.М. Шляхтенко. Учебник для вузов 2-е изд., переработанное и дополненное - М.Машиностроение, 1987.-568 с.

36. Тиунов С.В. Влияние изменения площади на входе корпуса турбины на работу турбокомпрессора ТКР7С. Межв. сб. «Проблемы конструирования, производства и эксплуатации колесных машин», Наб. Челны, 1999. С. 68-70.

37. Тиунов С.В. Ретроспективный анализ способов регулирования агрегатов наддува транспортных дизелей. В кн.: Проблемы энергомашиностроения. Тезисы докладов Всероссийской молодежной научно-технической конференции. - Уфа, 1996, с. 7-8.

38. Тиунов С.В., Румянцев В.В. Результаты опытного исследования газодинамики турбины турбокомпрессоров размерности ТКР7. Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Двига-тель-97». М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997, С. 83-84.

39. Тиунов С.В., Чернов К.В. Результаты опытного исследования газодинамики корпуса турбины турбокомпрессора ТКР7. Межвузовский сб. «Проблемы конструирования, производства и эксплуатации колесных машин», Набережные Челны, 1999, С.71-73.

40. Транспортные машины с газотурбинными двигателями / Н.С. Попов, С.П. Изотов, В.В. Антонов и др.; Под общ. ред. Н.С. Попова. 2-е изд., переаб. и доп. - JL: Машиностроение. Ленингр. отд., 1987. - 259 е., ил.

41. Тунаков А.П. Отчет о научно-исследовательской работе «Исследование центростремительной газовой турбины». Кафедра и научно-исследовательская лаборатория турбомашин КАИ, 1960 г.

42. Турбокомпрессоры для наддува дизелей. Справочное пособие. Л., «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1975 г.

43. Турбомашины. Сборник статей. Ред. канд. техн. наук, доц. А.Е. Зарян-кин. М., 1972 г.

44. Турбонаддув высокооборотных дизелей. М., «Машиностроение», 1976. 288с. Авт. А.Э. Симеон, В.Н. Каминский, Ю.Б. Моргулис, Г.М. Поветкин, А.Б. Азбель, В.А. Кочетов.

45. Файн М.А. Анализ перспектив развития систем регулирования наддува дизелей с использованием описаний патентов на изобретение / Двигателестроение. 1981. №2. С. 36-38.

46. Файн М.А., Васильев В.Н. Современные устройства для регулирования давления наддува двигателей внутреннего сгорания тракторов и сельскохозяйственных машин. М.: ЦНИИТЭИ Тракторсельхозмаш, 1979, вып. 17.-37 с.

47. Ханин Н.С., Аболтин Э.В., Лямцев Б.Ф. и др. Автомобильные двигаIтели с турбонаддувом. М.: Машиностроение, 1991. - 336 е.: ил.

48. Холщевников К.В., Емин О.Н., Митрохин В.Т. Теория и расчет авиационных лопаточных машин: Учебник для студентов вузов по специальности «Авиационные двигатели» 2-е издание, перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1986 г., 432 с.

49. Циннер К. Наддув двигателей внутреннего сгорания = Aufladung von Verbrennun gasmotoren: Перевод с немецкого / Под ред. д-ра техн. наук Н.Н.Иванченко. - Л., Машиностроение. Ленингр. отд., 1978. -264 е., ил.

50. Циткин С.И. Радиальные турбодетандеры. Машгиз. 1949 г.

51. Шерстюк А.Н. Расчет течений в элементах турбомашин. М., «Машиностроение», 1967 г.

52. Шерстюк А.Н., Зарянкин А.Е. Радиально-осевые турбины малой мощности. М.: Машиностроение, 1976.

53. Mizumachi Nagao. A Study of Radial Gas Turbines. Report of the Institute of Industrial Science. University of Tokyo. S/n 57. 1958. 120 p.

54. Rosenkranz Hans-Gunther. Zum Beschleunigungsverhalten von Nutzfahr-zeug-Dieselmotoren mit Abgasturboaufladund. Institut fur Technische Verbrennung Universitat Stuttgart. 1982,239s.

55. Sidney Raymond, Kitchens Clarence W., Jr. Combined techniques for flow visualization. AIAA Pop., 1976, №55, 1-15.

56. Watson N., Janota M.S. Turbocharging the Internal Combustion Engine. The Macmillan Press Ltd. 1982. - 608 p.