автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Анализ процессов износа входных устройств радиально-осевых турбин турбокомпрессоров судовых дизелей на основе расчета двухкомпонентной рабочей среды

ЕПИХИН АЛЕКСЕЙ ИВАНОВИЧ

АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ИЗНОСА ВХОДНЫХ УСТРОЙСТВ РАДИАЛЬНО-ОСЕВЫХ ТУРБИН ТУРБОКОМПРЕССОРОВ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ РАСЧЕТА ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ

Специальность 05.0&05 - Судовые энергетические установки я п элементы (главные я вспомогательные)

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание ученой степея* кандидата технических наук

Новороссийск—2006

Работа выполнена на кафедре «Судовые тепловые двигатели» Морской государственной академии имени адмирала Ф.Ф. Ушакова (г. Новороссийск).

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор Николаев Николай Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Тихомиров Борис Александрович кандидат технических наук, доцент Савченко Валерий Александрович

Ведущая организация:

ОАО «Новороссийское морское пароходство» (г. Новороссийск)

Защита состоится « 26 » декабря 2006 года в 10 часов на заседании Диссертационного Совета Д.223.007.01 Морской государственной академии имени адмирала Ф.Ф. Ушакова.

Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенных печатью организации, направлять Ученому секретарю диссертационного совета Д.223.007.01 по адресу: 353918, г. Новороссийск, пр. Ленина 93, МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова (г. Новороссийск).

Автореферат разослан « » ноября 200б года.

Ученый секретарь диссертационного совета: доктор технических наук, профессор

А.В. Бачище

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы исследования. В качестве агрегатов наддува судовых среднеоборотных дизелей применяются турбокомпрессоры (ТК), имеющие высокие значения степени повышения давления и КПД. Благодаря разработкам ведущих фирм в области производства турбокомпрессоров, таких как ABB, MAN B&W, Mitsubishi, СКБТ (г. Пенза) и др., применены конструкторские решения для проектирования и последующего изготовления современных высоконапорных и экономичных ТК с осевой и радиально-осевой (РОС) турбинами судовых дизелей мощностью от 100 до 3500 кВт.

В ТК современных судовых четырехтактных дизелей мощностью до 3500 кВт, как правило, применяются РОС газовые турбины. Входные устройства (ВУ) таких турбин выполняются в виде улитки и могут быть как с направляющим аппаратом, так и без него (безлопаточные направляющие аппараты). Анализ отказов и неисправностей ТК по имеющимся на данный момент публикациям, свидетельствует о том, что их надежность в процессе эксплуатации не высокая. Одной из причин низкой надежности ТК с РОС турбиной является износ внутренней поверхности ВУ с безлопаточным направляющим аппаратом. В настоящее время сложилась ситуация, характерная тем, что исследования на стадии проектирования ТК, направленные на повышение надежности элементов турбомашин не в полной мере учитывают условия их реальной эксплуатации, не достигнут требуемый уровень надежности. Суть проблемы в том, что в качестве топлива в судовых дизелях используются тяжелые сорта вязкостью 180 — 380 сСт и более. Эксплуатация судовых дизелей на тяжелом топливе приводит к тому, что в продуктах сгорания образуются твердые взвешенные частицы. Эти частицы имеют различные размеры и форуму, скорости и физические свойства. Присутствие твердых (абразивных) частиц в движущемся потоке уходящих газов (двухкомпонентная рабочая среда) дизеля при соприкосновении с поверхностью входного устройства, лопаточного аппарата РОС турбины ТК вызывает их изнашивание.

Изучение процессов движения двухкомпонентной рабочей среды в проточных частях РОС ступеней турбин ТК и влияние их на износ элементов турбин находится в начальной стадии. Поиск решения обозначенной проблемы диктует выбор объекта исследования и постановки цели и задач работы.

Подтверждением правильности нашего выбора следует то, что в докладах на конгрессе CIMAC 2004 отмечается, что для обеспечения надежности ПС судовых дизелей, работающих на тяжелых сортах топлива, существует необходимость разработки методов анализа процессов течения продуктов сгорания тяжелого топлива, сущности износов в элементах ПС и на основании выявленных причин — выработки технологических решений по их предотвращению на всех стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации.

Объект исследования — проточная часть радиально-осевой турбины с безлопаточным направляющим аппаратом современных турбокомпрессоров судовых дизелей.

Цель и задачи работы. Цель работы - анализ течения газа в радиально-осевых турбинах с безлопаточным направляющим аппаратом (БНА) турбокомпрессоров судовых дизелей и процессов их износа на основе расчета турбулентного течения двухкомпонентной рабочей среды.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

- исследование химических, металлографических и механических свойств материалов ВУ и направляющих аппаратов РОС турбин современных ТК;

- постановка и проведение численного эксперимента по исследованию параметров течения рабочей среды с примесями твердых частиц, имеющих различные характеристики (упругость соударения со стенкой, размер, форма, начальная скорость, расположение на входе в ВУ), во входном устройстве с БНА и рабочем колесе РОС турбины;

- исследование влияния параметров абразивно (эрозионно)-опасных частиц на износ внутренней поверхности ВУ;

- разработка рекомендаций по снижению износа спиральной камеры ВУ.

Методы решения поставленных задач. В диссертационной работе использованы экспериментально-теоретические методы исследования. Основные научные результаты получены с применением современных научно-исследовательских приборов и программных комплексов. Химический анализ образцов был выполнен спектральным методом по программе CHUGUN и ST в режиме РА по трем прожигам на каждом образце с определением среднего значения полученных данных. Исследование микроструктуры образцов было осуществлено на шлифах, травленных 4-х процентным раствором HN03 при 100-кратном и 500-кратном увеличении на микроскопе Carl Zeiss Vision.

Твердость исследуемых образцов определялась по методу Бринелля с помощью прибора TLL 2 (ГОСТ 90 12 — 59). Для моделирования турбулентного течения двухкомпонентной рабочей среды использован численный метод конечных объемов (МКО). Геометрические модели построены с использованием программного пакета Solid Works. Расчетная сетка создана с помощью программного комплекса Gambit фирмы Fluent. Расчет течения выполнен автором с использованием специализированного программного комплекса вычислительной динамики жидкости и газа фирмы Fluent.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:.

- впервые проведен анализ процессов течения продуктов сгорания тяжелого топлива и износа входных устройств РОС турбин ТК судовых дизелей на основе расчета турбулентного течения двухкомпонентной рабочей среды;

- исследовано влияние параметров двухкомпонентной рабочей среды на протекание процесса износа элементов проточной части РОС турбин ТК..

Теоретическое значение результатов заключается в том, что предложен комплексный подход, позволяющий. анализировать сложную структуру реального потока продуктов сгорания двигателя в проточной части РОС турбин ТК с учетом наличия твердых частиц, прогнозировать влияние этих частиц на износ элементов турбин ТК.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

- предложен эффективный теоретико-расчетный метод анализа течения газа и процессов износа входных устройств РОС турбин ТК судовых дизелей, работающих на тяжелых сортах топлива;

- реализация этого метода анализа позволяет получить необходимую информацию о влиянии различных эксплуатационных факторов на характер движения двухкомпонентной среды и, как следствие, на процесс износа ВУ РОС турбин с БНА и рассмотреть возможные способы снижения этого износа;

- в результате численного эксперимента установлены особенности движения и параметры абразивноопасных потоков твердых частиц в спиральной камере ВУ;

- предложены способы снижения износа спиральной камеры ВУ;

- результаты выполненных исследований внедрены в департаменте технической эксплуатации флота ОАО «Новороссийское морское пароходство»

(г.Новороссийск) и учебный процесс МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова (г.Новороссийск).

Достоверность научных результатов обеспечивается постановкой задачи, базирующейся на основных уравнениях динамики газа, применением современных программных комплексов расчета с использованием МКО и проверкой адекватности модели течения путем наблюдения за состоянием реальных элементов турбин ТК судовых дизелей, работающих на тяжелом топливе.

На защиту выносится:

- метод анализа процессов течения газа ВУ РОС турбин ТК судовых дизелей на основе расчета турбулентного течения двухкомпонентной рабочей среды;

- данные численного эксперимента по определению параметров частиц, участвующих в процессе интенсивного износа ВУ РОС турбин ТК;

- результаты численного моделирования процессов износа ВУ РОС турбин ТК.

Апробация и внедрение результатов исследования. Содержание диссертации обсуждалось и получило одобрение в Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете и Морской государственной академии имени адмирала Ф.Ф. Ушакова (г. Новороссийск), на семинаре «Высокие технологии в вычислительной гидрогазодинамике. Программные комплексы Fluent и Concept NREC» (г. Санкт-Петербург, 13-14 марта 2006 г.). Основные положения и результаты опубликованы в виде докладов и тезисов на Международной научно-технической конференции «Надежность и ремонт машин» (г. Орел, 2005 г.) и научно-технических конференциях МГА им. адмирала Ф.Ф. Ушакова (2003 - 2005 гг.) и СПбГМТУ (2005 г.).

Публикации. Основная часть материала прошла рецензирование и опубликована в виде научных статей в следующих изданиях: Труды НГМА (2003 г.), журнал «Двигателестроение» (№3, 2005 г.), Известия ВУЗов СевероКавказского региона, техн. науки (Спецвыпуск 2006 г.), Известия ВУЗов Северо-Кавказского региона, техн. науки, (Приложение к №3, 2006 г.). Из них четыре статьи в ведущих рецензируемых журналах.

Результаты исследования используются в курсе лекций, читаемых для курсантов и слушателей курсов повышения квалификации МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова.

Личный вклад диссертанта выразился в постановке основных задач исследования, постановке и проведении численного эксперимента по исследованию характеристик двухкомпонентного потока рабочей среды в проточной части РОС турбины ТК, численной оценке процесса износа ВУ, анализе результатов исследования и выработке рекомендаций по снижению интенсивности износа.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 47 наименования. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 64 рисунка и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цели и задачи работы, изложены научные и практические результаты, описана структура диссертации, приведены данные по апробации и реализации полученных результатов.

Глава 1 содержит анализ данных по эксплуатации, методов исследования РОС турбин ТК судовых среднеоборотных дизелей и математических моделей, описывающих турбулентное движение сплошной сжимаемой одно- и двухкомпонентной рабочей среды, постановку задачи исследования.

Исследованиями в области проектирования и эксплуатации турбома-шин, в том числе и ТК судовых дизелей, занимались и внесли значительный вклад многие инженеры и ученые: Б.П. Байков, В.Т. Бордуков, А. Бюхи, Р. Бэкон, P.C. Дейч, C.B. Камкин, И.И. Кириллов, Е. Майер, А.Д. Межерицкий, К.В. Олесевич, ГШ. Розенберг, А.Э. Симпсон, A.M. Топунов и др.

Надежность эксплуатации ТК с РОС турбиной судовых четырехтактных дизелей, работающих на тяжелых сортах топлива, связана с износом элементов проточной части турбин (ВУ, соплового аппарата, рабочего колеса). Это приводит к снижению КПД турбины и ТК и, как следствие, эффективности работы двигателя, увеличению эксплуатационных затрат судовладельцев. Tax, например, при обследовании РОС турбин ТК типа RR (ABB), NR (MAN B&W), RH (Mitsubishi) судовых дизель-генераторов танкеров типа «Трогир», «Москва» и «Tromso Fidelity» выявлены износы профиля лопаток соплового аппарата, внутренней поверхности ВУ при наработке 2— 10 тыс. часов.

7

Анализ отказов и повреждений ТК с РОС турбиной RH 143/163 двигателя 6N21AL-DN серии танкеров типа «Москва» (выполненный специалистами МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова) показал, что на отказы ВУ приходится около 18 - 20 % .

Анализ результатов исследования и работ, связанных с созданием и эксплуатацией ТК судовых дизелей, работающих на тяжелых сортах топлива, показывает, что разработка метода исследования и анализа процессов течения двухкомпонентной рабочей среды, износа ТК с РОС турбиной является актуальной задачей.

Глава 2 содержит описание объекта исследования, математической и геометрической моделей РОС турбины ТК с БНА. Приводятся результаты исследования физико-химических свойств материалов входных устройств и сопловых аппаратов радиально-осевых турбин турбокомпрессоров.

Объект исследования — одноступенчатая РОС газовая турбина ТК типа RR (ABB), RH (Mitsubishi) и т.п. Подвод газа к турбине осуществляется через ВУ, выполненное в виде спиральной камеры; в турбине применяется ВУ с безлопаточным направляющим аппаратом.

Геометрическая модель турбины построена по данным измерений натурных объектов. При построении модели исключались несущественные для проводимого анализа геометрические особенности реальной конструкции. Твердотельная модель ВУ и РК представлена на рис.1.

Рис. 1. Твердотельная модель радиально-осевой турбины (периферийная ограничивающая поверхность рабочего колеса условно не показана)

Приводится математическая модель, описывающая процессы турбулентного течения вязкой сплошной сжимаемой двухкомпонентной рабочей среды в радиально-осевой турбине ТК судового дизеля.

Модель включает в себяосреаненныепо Рейнольасу уравнения баланса массы, количества движения и энергии:

= 0;

^ (ру) + V • (уру) = + V • {2/Л -\tiV- (у)7) + рРта„ + V • (7*);

Л

at

(рЕ) + V • (w(pE + р))= v(*„# V Т) + v(( v • 7) + (v - г'R )) + pFm,

Используется линейная связь тензора турбулентных напряжений и тензора скоростей деформации осредненного движения:

Для определения параметров пульсационного движения используется К-£ модель турбулентности. Турбулентная вязкость определяется по параметрам пульсационного течения:

Турбулентная кинетическая энергия К определяется по следующему уравнению переноса:

4-{pK) + V-{Kpv) = V

■^i-W)

ак)

+ GK + Gb-pe-YM.

Уравнение для переноса скорости диссипации турбулентной кинетической энергии е имеет структуру, аналогичную уравнению для переноса К:

„+£L|V(e)

+ С1£ ^CicGh+pClSs-Clcp£1/(K+^).

Приняты наиболее вероятные значения эмпирических констант в модели турбулентности, которые установлены в программе Fluent по умолчанию. Для уменьшения размеров расчетной сетки вблизи стенок использованы стандартные пристеночные функции.

Термодинамические свойства продуктов сгорания описываются моделью совершенного газа.

Исследование физико-химических свойств материалов входных устройств и сопловых аппаратов РОС турбин ТК типа RR (ABB) и NR (MAN B&W) позволило определить их химические, металлографические и механические свойства и показало, что они изготовлены в соответствии с нормативными требованиями компаний, производящих данные типы ТК. Учитывая наличие износов ВУ РОС турбин ТК предполагаем, что компании производите-

ли такого типа ТК не в полной мере учитывают условия их работы при эксплуатации среднеоборотных дизелей на тяжелых сортах топлива. Для разработки мероприятий по "местному" упрочнению деталей ТК (входных устройств, сопловых аппаратов) в областях интенсивного износа необходимо выполнить анализ процессов течения в проточной части РОС турбин ТК с учетом наличия твердых взвешенных частиц в продуктах сгорания и выбрать технологию для повышения износостойкости.

Глава 3 содержит описание построенной конечно-элементной модели и расчетной сетки ВУ и рабочего колеса (РК) ТК, начальные и граничные условия, анализ турбулентного течения сплошной среды в проточной части РОС турбины ТК.

Конечно-объемная модель ВУ и рабочего колеса (рис.2) полностью выполнена в препроцессоре пакета Fluent — Gambit. Так как геометрическая модель ВУ имеет сложную трехмерную конфигурацию, то для создания хорошей расчетной конечно-объемной модели патрубка необходимо было произвести разбиение твердотельной модели на подобласти. Подобласти представляют собой конечные объемы, полученные путем разделения исходной твердотельной модели радиальными плоскостями.

Рис. 2. Общий вид полной конечно-объемной модели ВУ и РК

Расчет течения в РК производился в предположении выполнения условий периодичности. Поэтому для сокращения объема вычислений рассматривается расчетная область только в одном межлопаточном канале. Расчетная область включает в себя одну лопатку и ограничена входным, выходным се-

чениями, а также двумя эквидистантными периодическими поверхностями, смещенными в окружном направлении на угол 360/12 (лопаток)=30 градусов.

Конечно-объемная модель РК включает в себя только гексаэдральные элементы. Конечно-объемная модель РК полностью выполнена по схеме тар meshing (включает в себя только гексаэдральные элементы). Для построения гексаэдральной сетки понадобилось произвести разбиение расчетной области на примитивы. При этом были выделены две основные зоны: зона пограничного слоя 2 мм от поверхности пера лопатки (отличается более густой сеткой), и зона основного потока с более редкой сеткой. Также в расчетную модель добавлен участок на выходе из РК с целью стабилизации параметров потока для обеспечения лучшей сходимости в процессе расчета.

Расчет течения в проточной части турбины выполнялся методом конечных объемов на расчетной сетке, которая имела следующие параметры. В ВУ с БНА использовалась сетка смешанного типа (состоящая из восьмигранников, призм и, локально, пирамид) с 781837 конечными объемами; в области РК и выходного участка использована сетка, состоящая из восьмигранников, с 90452 конечными объемами. Безразмерный параметр сетки, характеризующий относительное расстояние от стенки до центра первой ячейки, составлял у+=30 — 150, что вполне допустимо при использовании пристеночных функций.

Для соединения вращающейся области РК с неподвижной областью ВУ использована модель плоскости смешения с сохранением момента количества движения, статического давления и полной энтальпии. Определялось осред-ненное стационарное решение.

Были сформулированы следующие начальные и граничные условия.

Граничные условия на твердых стенках - условия прилипания потока. Принято допущение, что зазоры в проточной части отсутствуют. Поэтому в области РК втулочная ограничивающая поверхность и рабочие лопатки вращаются с угловой скоростью вращения ротора, а периферийная ограничивающая поверхность неподвижна в пространстве. Естественно, все твердые стенки ВУ также неподвижны.

Граничные условия во входном сечении - задано однородное распределение полного давления и полной температуры. Входная скорость ортогональна входному сечению. Для улучшения устойчивости итерационного процесса численного решения задачи, задаваемые режимные параметры постепенно изменялись в процессе последовательных приближений. Значение пол-

11

ного давления на входе изменялось в процессе начальных итераций от величины 0,15 МПа до 0,2 МПа. Угловая скорость вращения ротора изменялась в приближениях от 500 до 3037 1/с. Полная температура была принята неизменной и равной 630 К. Во входном сечении также заданы параметры турбулентности.

Граничные условия в выходном сечении - задано распределение статического давления по радиусу, определенное по уравнению радиального равновесия. Статическое давление на среднем радиусе принято равным 0,1015 МПа.

Течение в РК приближенно моделировалось как периодическое (с периодом, определяемым числом каналов). Поэтому по поверхностям, ограничивающим межлопаточный канал в окружном направлении, заданы условия периодичности.

Расчет течения в ВУ выполнялся в двух вариантах: при работе ВУ в составе РОС ступени (с РК); при работе ВУ без РК.

Для анализа выделена область ВУ от входного сечения до цилиндрической поверхности на входе в РК. На рис.3 показаны распределение статического давления в РОС турбине (а) и линии тока в ВУ, раскрашенные по величине абсолютной скорости (б). Достаточно равномерное распределение статического давления по спиральной камере ВУ и на входе в РК показывает в целом правильно выбранное распределение площадей проходных сечений ВУ.

Рис.3. Распределение статического давления в проточной части РОС турбины (а). Линии тока в ВУ, раскрашенные по величине абсолютной скорости (б)

На рис.3 б хорошо видны скошенные (синего цвета) линии тока в трехмерном пограничном слое на боковых поверхностях спиральной камеры. Это вторичные течения, которые участвуют в формировании картины переноса мелких твердых частиц в спиральной камере.

По результатам анализа распределения статического давления и скоростей в ВУ можно отметить следующее. На входе в РК абсолютная скорость распределена в окружном направлении достаточно равномерно, что подтверждает удачное профилирование поперечных сечений спиральной камеры. Из-за малых радиусов скругления при выходе потока из спиральной камеры в части ее поперечных сечений (рис. 4) образуется заметная отрывная зона потока. Это приводит к образованию вихря и повышенной неравномерности параметров в осевом направлении на входе в РК. Однако вполне возможно, что это сделано специально с целью уменьшения окружной неравномерности потока на входе в РК и для прикрытия зоной отрыва входа в зазор за диском РК. Отрыв потока в этом месте может несколько снижать величину утечки в указанный зазор, а наличие самой утечки, которая в нашем расчете не учитывалась, будет способствовать отсосу рабочей среды из зоны отрыва и, соответственно, локализации этого отрыва. В результате расчета были получены также распределения параметров турбулентности в ВУ.

I

2.600+02 , 1 < ' ' • I #

2.506+02 »*.'•• " -V * »

2.390+02 ' ' ■ ' ■ * *

1 2.290+02 ♦ .'•.'*

2.1&0+О2 *,

2.084+02 * • »

1 еав+ог * »

1 67®+02 й *

1.770+02 1 I

1 660+02 1 1.564+02 . I

1.46е+02 1.350+02 1 256+02 1.144+02 1.040+02 936«+01 в 320+01 7.280+01 В.240+01 520в+01

■ I

» / I /

\ \

Рис. 4. Пример распределения векторов проекций абсолютной скорости на плоскость поперечного сечения спиральной камеры (векторы раскрашены в масштабе величины абсолютной скорости)

Как было отмечено ранее, расчет течения в ВУ выполнялся в двух вариантах (ВУ с РК и ВУ без РК). Сопоставление этих расчетов может быть использовано для оценки погрешности исследования потока в отдельном ВУ без РК, которое, безусловно, дешевле по сравнению с исследованием всей ступени. Сравнение результатов анализа параметров потока выполнялось по цилиндрической поверхности на выходе из ВУ, на которой осуществляется сшивка решений для областей ВУ и РК (по поверхности «смешения»).

Для анализируемой конструкции из сопоставления распределения относительного статического давления в выходном сечении ВУ в случаях расчета с РК и без него, но с ограничивающими поверхностями следует: неравномерность статического давления в окружном направлении в расчете без РК составляет около 2%, что приблизительно на 1% больше по сравнению со случа-. ем расчета с РК; неравномерность статического давления в осевом направлении наоборот выше для случая расчета с РК и составляет около 6%, что на 3% больше, по сравнению с вариантом без РК; учитывая, что основное влияние на перенос твердых частиц в ВУ может оказывать окружная неравномерность статического давления, а также, что разница в степени неравномерности при статических и динамических испытаниях не превышает 1%, можно рекомендовать проводить экспериментальные исследования по изучению движения частиц в ВУ РОС турбинах подобной конструкции на более дешевых статических установках.

Глава 4 содержит результаты расчетного исследования движения дискретных частиц в ВУ с БНА турбины ТК.

Для расчета движения твердых частиц в проточной части ВУ необходимо задать начальные и граничные условия. В качестве начальных условий задаются параметры твердых частиц во входном сечении: начальное положение, скорость, размер, температуру и параметр, определяющий форму отдельных частиц. В качестве граничных условий на твердых стенках проточной части необходимо задать условия соударения частицы со стенкой, определяющие степень упругости удара.

Из результатов выполненных испытаний на судне и анализа условий эксплуатации ТК судовых четырехтактных дизелей был определен приближенный диапазон изменения параметров твердых частиц, необходимых для задания начальных и граничных условий. Размеры частиц могут изменяться в пределах от 0,01 до 0,5 мм. Форма частиц отличается от сферической. По-

14

верхность ВУ в процессе эксплуатации покрывается сажистым налетом и соударение частиц с такой поверхностью нельзя считать абсолютно упругим. Остальные параметры можно оценить только очень приближенно. Поэтому для выяснения определяющих начальных параметров движения частиц на входе в ВУ ТК двигателя и задания граничных условий необходимо провести специальные расчетные исследования влияния этих параметров на характеристики движения частиц внутри ВУ.

Исследование влияния степени упругости соударения частиц с поверхностью стенок канала и влияние формы частиц на параметры их движения выполнено для наиболее крупных частиц, которые должны вызывать наибольший износ ВУ. Такой подход позволяет сократить объем многопараметрического исследования при сохранении его максимальной достоверности, так как критерием правильности выбора указанных параметров частиц служит наблюдаемый в процессе эксплуатации износ. Размер крупных частиц принят равным 0,5 мм. Плотность материала частиц принята равной 3500 кг/м3. Частицы распределялись равномерно по входному сечению и выпускались из девяти точек. Начальная скорость частиц принята равной нулю. Исследование выполнено для диапазона изменения коэффициентов восстановления и формы дискретных частиц от 0,6 до 1,0.

В результате выполненного исследования установлено, что наибольшая концентрация частиц в зоне износа («языка» спиральной камеры) достигается для частиц с коэффициентом формы 0,6 - 0,7, при нормальной и тангенциальной степени упругости удара (коэффициентах восстановления), лежащей в диапазоне 0,8 - 0,9 (рис. 5).

£ 1.5

0,6 0,7 0,8 0,9 К-т восстановления

-о— Тангенциальный к-т

восстановления - - а • - Нормальный к-т воостановления

Рис. 5. Влияние степени упругости соударения частиц с поверхностью стенок канала на параметры их движения

Из проведенного расчета следует, что в районе «языка» частицы концентрируются в наиболее удаленной от оси вращения зоне. Часть частиц накапливается в ВУ, совершая в нем несколько оборотов перед тем, как попасть в РК. Скорость частиц в районе «языка» близка к скорости потока газа. Распределение частиц во входном сечении ВУ может изменяться в зависимости от конструкции устройств, подводящих газ к ТК. Изгиб подводящей трубы перед входным фланцем приведет к смещению облака крупных частиц к одной из стенок ВУ. Для анализа возможного влияния этого фактора на параметры движения частиц в зоне износа варьировалась зона входного сечения, из которой осуществлялся выпуск частиц (рис. 6). При этом общий расход частиц оставался неизменным.

Вариант 1 Вариант .2 Вариант 3 Вариант 4

Рис. б. Исследованные варианты размещения зон выпуска твердых частиц во входном сечении (зоны выпуска заштрихованы)

Остальные параметры начальных и граничных условий для расчета движения частиц в этом исследовании оставались постоянными и принимали следующие значения: размер частиц равен 0,5 мм, коэффициента формы частично,7, нормальный коэффициент восстановления е„=0,8 и тангенциальный коэффициент восстановления е,=0,9.

На рис. 7, в качестве примера, приведены траектории и скорости движения частиц для одного из вариантов выпуска.

Анализ результатов проведенного исследования позволяет сделать следующий вывод: изменение места расположения выпуска частиц во входном сечении несколько изменяет вид траекторий их движения, однако, в области повышенного износа ВУ во всех случаях твердые частицы концентрируются в периферийной области спиральной камеры, наиболее удаленной от оси вращения турбины; в этом же месте они достигают наибольших скоростей, близких по величине к скорости газового потока.

Величина скорости твердых частиц во входном сечении ВУ в общем случае зависит от предыстории течения, т.е. от конструкции устройств, подводящих газ к ТК. На величину скорости могут влиять различные факторы и поэтому она может колебаться в широких пределах.

. Щ гвс^о) у

I

Ч0..01

Л

г.еоа*02-;г

2. Ма*02 " 2.34в>02 . :' 2.21я*02 Ч . •

г.0а»*02 --.■■■

1.95А+02 1 А2я±02

1.6&И-02

1.66а*02 1.4Эв»02

1.17в+02 1.04в+02

3.Юа-,01 7ВСа-»01 6.КЗв*01 Б.20в*01 г.э0в*01

2.60а«01 V 1.ада-,01

о.ооа^аог'^А

Л

Х-

Вид А

\

ВидА

Рис. 7. Трехмерные траектории и скорости движения частиц для варианта выпуска 3 (левая зона входного сечения)

В данной работе выполнено специальное исследование влияния скорости движения твердых частиц во входном сечении ВУ на параметры их движения внутри патрубка. Начальная скорость движения частиц задавалась в долях от скорости движения потока газа и варьировалась в пределах с^ /суь„= 0 - 0,87. Рассмотрены варианты для относительной начальной скорости равной £^,/^„=0,33; 0,65; 0,87. Остальные параметры начальных и граничных условий для расчета движения частиц в этом исследовании оставались постоянными и принимали значения, описанные мной выше. Было при-

нято равномерное распределение частиц во входном сечении. Из анализа полученных результатов следует, что начальная скорость твердых частиц на входе в ВУ оказывает влияние на характеристики движения частиц в начальной и средней части спиральной камеры. Чем больше начальная скорость, тем больше начальный импульс частицы и поэтому при первых соударениях со стенкой происходит более интенсивный отскок. Однако по мере продвижения по спиральной камере крупные твердые частицы, имеющие различные начальные скорости, концентрируются в периферийной области спиральной камеры, наиболее удаленной от оси вращения турбины. В этом же месте они достигают наибольших скоростей, близких по величине к скорости газового потока.

Таким образом, изменение места расположения впуска частиц во входном сечении и начальной скорости несколько изменяет вид траекторий движения частиц в начальной и средней части спиральной камеры. Однако параметры движения крупных частиц в зоне износа (вблизи «языка») слабо зависят от величины начальной скорости и места расположения впуска частиц во входном сечении.

Для определения характеристик абразивно (эрозионно) -опасных потоков было выполнено исследование влияния размеров твердых частиц на параметры их движения. Исследование выполнялось при изменении размеров твердых частиц в диапазоне 0,01 - 0,5 мм. Для случая мелких частиц, имеющих размер 0,01 мм, исследовано также влияние относительной начальной скорости во входном сечение (рассмотрены варианты с^ 0 и 0,87). Остальные начальные условия оставались неизменными. Результаты этого исследования показали, что размер частиц сильно влияет на параметры движения частиц во всей спиральной камере. Относительно крупные частицы с размерами более 0,05 мм концентрируются в периферийной области спиральной камеры и участвуют в износе. Особенно характерна концентрация частиц с размерами порядка 0,1 мм. Крупные частицы имеют тенденцию к накапливанию в ВУ, совершая несколько оборотов в спиральной камере, перед тем как попасть в РК. В зоне износа крупные частицы приобретают наибольшую скорость движения. При соударении со стенками камеры в этой области крупные частицы имеют большую тангенциальную составляющую импульса, что должно способствовать абразивному износу стенок.

Многие относительно мелкие частицы с размерами порядка 0,05 мм и менее, по крайней мере, для случая малых начальных скоростей во входном сечении, не обладают достаточным импульсом. Поэтому они после соударения со стенкой остаются в пределах трехмерного пограничного слоя. Частицы, которые во входном сечении располагались близко к периферийпой границе, раньше других попадают в пограничный слой и под действием вторичных течений перемещаются к безлопаточному сопловому аппарату, а затем уходят в РК. Частицы из средней и нижней части входного сечения остаются в потоке газа и вместе с ним тоже уходят в РК. Таким образом, частицы с размерами менее 0,05мм и низкими начальными скоростями не достигают области «языка» и практически не участвуют в износе стенок спиральной камеры.

Мелкие частицы могут иметь большую начальную скорость движения во входном сечении ВУ с длинной прямой подводящей трубой. Для уточнения влияния относительной начальной скорости на характеристики движения мелких частиц было выполнено дополнительное исследование движения частиц размером 0,01мм с относительной скоростью с(Я,/с/1„.=0,87. Из результатов следует, что в данном случае относительная начальная скорость движения мелких частиц (с размером порядка 0,01мм) не оказывает принципиального влияния на качественную картину движения этих частиц в ВУ.

Результаты исследования по определению длительности нахождения крупных частиц (с размерами 0,1 и 0,5мм) в ВУ для случая нулевых начальных скоростей показали, что 70-80% частиц с размерами 0,1мм и 0,5мм совершают более одного оборота в спиральной камере. Однако после совершения двух оборотов все частицы уходят в РК. Таким образом происходит дополнительное локальное увеличение концентрации крупных частиц в зоне износа.

По результатам исследования влияния размеров частиц на параметры их движения сделаны следующие выводы: в зоне износа концентрируются твердые частицы с размерами более 0,05 мм; с увеличением размера частицы сверх 0,05 мм их скорости в районе языка приближаются к скорости потока; наиболее компактно в районе языка концентрируются твердые частицы с размерами около 0,1 мм; твердые частицы с размерами более 0,05 мм могут на-

капливаться в спиральной камере, совершая в процессе движения более одного оборота вокруг оси вращения турбины.

На основании произведенных в диссертационной работе расчетов вязкой сплошной сжимаемой двухкомпонентной рабочей среды в РОС ТНА была выполнена приближенная оценка параметров, влияющих на разрушение поверхности стенки ВУ в районе языка из-за взаимодействия с твердыми частицами. Анализируя траектории движения твердых дискретных частиц можно предположить, что возможны два механизма износа поверхности ВУ при работе, на двухкомпонентной рабочей среде — ударный (эрозия) и истиранием (абразивный износ). Общее разрушение поверхности пропорционально произведению напряжения г, на число взаимодействий. Предполагая, что воздействие частиц различного размера складываются, можно определить скорость разрушения (износа):

Уразр = ^GdO—'Ndi

где Gjc - общий массовый расход частиц на входе в патрубок; Gd. - относительный расход частиц на входе данного диапазона размеров; md. - средняя масса частиц в данном диапазоне размеров; Nj,. - относительная доля частиц

F.

данного диапазона размеров, попадающих в данное место; г, = — - напряже-

кие на поверхности; Fi - сила взаимодействия; Si — площадь.

Выполненная приближенная оценка параметров влияющих, на разрушение внутренней поверхности ВУ из-за взаимодействия с твердыми частицами показала, что скорость разрушения (износа) ВУ РОС ТК типа RR-181 (ABB) составляет примерно 34 мм за 3800 час эксплуатации двигателя. Полученный результат расчета удовлетворительно согласуется с наблюдаемой в процессе эксплуатации картиной износа ВУ ТК RR-181 (ABB), RH 143/163 (фирма Mitsubishi).

В работе рассмотрены возможные способы снижения износа проточной части радиально-осевой турбины ТК судовых дизелей.

Основные результаты и выводы по работе. В результате выполнения диссертационной работы получены новые научные результаты, предложены рекомендации, позволяющие уже на стадии проектирования и изготовления турбокомпрессоров решить задачи, связанные с расчетом входных устройств радиально-осевых турбин с учетом эксплуатационных факторов (наличия твердых частиц в продуктах сгорания тяжелых сортов топлива судовых дизелей). При решении этой научно-технической задачи получены следующие основные результаты и выводы:

1. Исследование химических, металлографических и механических свойств ВУ и направляющих аппаратов РОС турбин современных ТНА показало, что:

- ВУ изготовлены из высокопрочного чугуна с шаровидной формой графита; при этом у входного устройства ТК типа RR металлическая матрица состоит из феррита, а у входного устройства ТК типа NR — из феррита и 8% перлита, что, является нарушением требуемой структуры, которая должна состоять из перлитной металлической матрицы и включений шаровидного графита с твердостью не менее НВ — 230...250;

- ВУ ТК фирмы ABB типа RR с БНА должно быть изготовлен из высокопрочного чугуна, имеющего структуру, состоящую из перлитной и сорбит-ной металлической матрицы и включений шаровидного графита, при этом наличие феррита не допускается; в этом случае твердость ВУ должна находиться в пределах НВ — 230.. .270;

- сопловый аппарат турбины ТК типа NR, изготовленный из стали ау-стенитного класса марки 25Х15Н26М5Г2 с твердостью НВ менее 100 не соответствует условиям эксплуатации; для условий работы данного соплового аппарата необходимо применение более умеренно легированной жаростойкой стали типа сильхрома марки 40Х9С2, которая обладает достаточной жаростойкостью и при этом довольно хорошей износостойкостью;

2. Расчетный анализ движения частиц во входном устройстве необходимо выполнять с использованием модели турбулентного течения вязкого газа, так как на перенос частиц определенного диапазона размеров могут

оказывать существенное влияние перетекания в трехмерном пограничном слое на стенках спиральной камеры.

3. В износе внутренней поверхности ВУ участвуют главным образом твердые частицы со следующими параметрами: с размерами 0,05мм и более; с коэффициентом формы 0,6 - 0,7; при нормальной и тангенциальной степени упругости удара, лежащей в диапазоне 0,8 — 0,9.

4. Параметры движения абразивно (эрозионно) опасных частиц в зоне износа (вблизи «языка» входного устройства) слабо зависят от величины начальной скорости и места расположения выпуска частиц во входном сечении ВУ.

5. Твердые частицы с размерами более 0,05 мм могут накапливаться в спиральной камере, совершая в процессе движения более одного оборота вокруг оси вращения турбины. При этом их скорость приближается к максимальной скорости потока газа во входном патрубке. Однако основная часть твердых частиц не совершает более двух оборотов.

6. Твердые частицы с размерами 0,05 - 0,5 мм имеют значительную величину тангенциальной составляющей импульса при соударении с внутренней поверхностью ВУ в зоне износа. При этом абразивный износ играет существенную роль в процессе разрушения.

7. Улавливание частиц в спиральной камере ВУ неэффективно из-за конструктивных трудностей размещения улавливающего устройства в зоне наибольшей концентрации частиц (зоне языка). В других местах ВУ частицы значительно рассеяны в пространстве, и эффективно улавливать их невозможно.

8. Выполненная приближенная оценка параметров влияющих, на разрушение поверхности стенки ВУ из-за взаимодействия с твердыми частицами показала, что скорость разрушения (износа) ВУ РОС ТК типа RR-181 (ABB) составляет примерно 34 мм за 3800 час эксплуатации двигателя. Полученный результат расчета удовлетворительно согласуется с наблюдаемой в процессе эксплуатации картиной износа ВУ ТК RR-181 (ABB), RH 143/163 (фирма Mitsubishi).

Основные публикации по работе

1 Н.И. Николаев, А.И. Епихин. Анализ методов профилирования входных устройств радиально-осевых турбин. - Труды НГМА, 2003. — С. 111—115.

2 Н.И. Николаев, Ф.М. Березовский, А.И. Епихин. Исследование химических, металлографических и механических свойств газоприемных корпусов и сопловых аппаратов турбонаддувочных агрегатов "с радиапьно-осевой турбиной. - «Двигателестроение».- 2005 - №3.- С. 36-39.

3 Н.И. Николаев, А.И. Епихин. Некоторые результаты исследования свойств материалов турбин турбонагнетателей судовых среднеоборотных дизелей. Тез. докл. Меясдунар. науч.-техн. конф. «Надежность и ремонт машин»,— Орел: ОрелГАУ, 2005. - С. 251 - 255.

4 Н.И. Николаев, Ф.М. Березовский, А.И. Епихин. Пути повышения износостойкости материала входных устройств турбонаддувочных агрегатов судовых дизелей, работающих на тяжелых сортах топлива. — Известия ВУЗов. Сев,-Кавк. регион. Техн. науки. - 2006, Спецвыпуск. — С. б - 8.

5 Н.И. Николаев, А.И. Епихин, Ю.М. Погодин, Д.В. Лебедев. Исследование влияния некоторых параметров двухкомпонентной рабочей среды на движение дискретных частиц во входном устройстве радиально-осевой турбины турбонаддувочного агрегата. — Известия ВУЗов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2006, Приложение к №3. - С. 52 - 57.

6 Н.И. Николаев, А.И. Епихин, Ю.М. Погодин, Д.В. Лебедев. Исследование влияния распределения дискретных частиц по входному сечению и начальной скорости на параметры их движения во входном устройстве с безлопаточным направляющим аппаратом радиально-осевой турбины. - Известия ВУЗов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2006, Приложение к №3. — С, 57 — 62.

Формат 60x84 1/16. Тираж 100. Заказ 1091. Отпечатано в редакционно-издательском отделе

ФГОУ ВПО «Морская государственная академия им. адм. Ф.Ф.Ушакова» 353918, г. Новороссийск, пр. Ленина, 93

Список сокращений и аббревиатуры.

Введение.

Глава 1. Анализ данных по эксплуатации, методов исследования радиально-осевых турбин турбокомпрессоров судовых среднеоборотных дизелей и математических моделей, описывающих движение газа. Постановка задачи исследования.

1.1. Анализ данных по эксплуатации турбокомпрессоров с радиаль-но-осевыми турбинами.

1.2. Методы исследования входных устройств турбокомпрессоров судовых дизелей.

1.3. Математическая модель, описывающая течение вязкой сплошной сжимаемой однокомпонентной среды.

1.4. Модели турбулентности, использованные при описании турбулентного течения вязкой сплошной сжимаемой однокомпонентной среды.

1.5. Модель для описания турбулентных течений вблизи твердых стенок.

1.6. Постановка граничных условий для модели турбулентного течения сплошной вязкой однокомпонентной среды.

1.7. Математическая модель течения двухкомпонентных сред.

1.8. Постановка задачи исследования.

Глава 2. Объекты исследования, математическая и геометрическая модели радиально-осевой турбины с безлопаточным направляющим аппаратом. Исследование физико-химических свойств материалов входных устройств и сопловых аппаратов радиально-осевых турбин турбокомпрессоров.

2.1. Турбокомпрессоры с радиально-осевыми турбинами.

2.2. Математическая модель, описывающая процессы течения вязкой сплошной сжимаемой двухкомпонентной рабочей среды в радиально-осевой турбине турбокомпрессора судового дизеля.

2.3. Геометрическая модель радиально-осевой турбины с безлопаточным направляющим аппаратом.

2.4. Исследование химических, металлографических и механических свойств входных устройств и сопловых аппаратов турбокомпрессоров с радиально-осевой турбиной.

Глава 3. Построение конечно-объемной модели и расчетной сетки объектами исследования. Анализ турбулентного течения сплошной среды в проточной части радиально-осевой турбины турбокомпрессора.

3.1. Расчетная сетка во входном устройстве и рабочем колесе.

3.2. Исходные данные и граничные условия для расчета течения в проточной части турбины.

3.3. Результаты расчета течения во всей турбине. Определение граничных условий для расчета течения во входном устройстве.

3.4. Расчет течения во входном устройстве с безлопаточным направляющим аппаратом.

Глава 4. Расчетное исследование движения дискретных частиц во входном устройстве с безлопаточным направляющим аппаратом радиально-осевой турбины турбокомпрессора.

4.1. Исходные данные и граничные условия для расчета движения дискретных частиц.

4.2. Исследование влияния степени упругости соударения частиц с поверхностью стенок канала и формы крупных частиц на параметры движения.

4.3. Исследование влияния распределения частиц по входному сечению и их начальной скорости на параметры движения частиц.

4.4. Исследование влияния размеров частиц на параметры их движения.

4.5. Оценка характеристик абразивно (эрозионно) -опасных потоков твердых частиц.

4.6. Способы снижения износа проточной части радиально-осевой турбины турбокомпрессоров судовых дизелей.

Актуальность проблемы исследования. В качестве агрегатов наддува судовых среднеоборотных дизелей применяются турбокомпрессоры (ТК), имеющие высокие значения степени повышения давления и КПД. Благодаря разработкам ведущих фирм в области производства турбокомпрессоров, таких как ABB, MAN B&W, Mitsubishi, СКБТ (г. Пенза) и др., применены конструкторские решения для проектирования и последующего изготовления современных высоконапорных и экономичных ТК с осевой и радиально-осевой (РОС) турбинами судовых дизелей мощностью от 100 до 3500 кВт.

В ТК современных судовых четырехтактных дизелей мощностью до 3500 кВт, как правило, применяются РОС газовые турбины. Входные устройства (ВУ) таких турбин выполняются в виде улитки и могут быть как с направляющим аппаратом, так и без него (безлопаточные направляющие аппараты). Анализ отказов и неисправностей ТК по имеющимся на данный момент публикациям, свидетельствует о том, что их надежность в процессе эксплуатации не высокая. Одной из причин низкой надежности ТК с РОС турбиной является износ внутренней поверхности ВУ с безлопаточным направляющим аппаратом. В настоящее время сложилась ситуация, характерная тем, что исследования на стадии проектирования ТК, направленные на повышение надежности элементов турбомашин не в полной мере учитывают условия их реальной эксплуатации, не достигнут требуемый уровень надежности. Суть проблемы в том, что в качестве топлива в судовых дизелях используются тяжелые сорта вязкостью 180-380 сСт и более. Эксплуатация судовых дизелей на тяжелом топливе приводит к тому, что в продуктах сгорания образуются твердые взвешенные частицы. Эти частицы имеют различные размеры и форму, скорости и физические свойства. Присутствие твердых (абразивных) частиц в движущемся потоке уходящих газов (двухкомпонентная рабочая среда) дизеля при соприкосновении с поверхностью входного устройства, лопаточного аппарата РОС турбины ТК вызывает их изнашивание.

Изучение процессов движения двухкомпонентной рабочей среды в проточных частях РОС ступеней турбин ТК и влияние их на износ элементов турбин находится в начальной стадии. Поиск решения обозначенной проблемы диктует выбор объекта исследования и постановки цели и задач работы. Подтверждением правильности нашего выбора следует то, что в докладах на конгрессе С1МАС 2004 отмечается, что для обеспечения надежности ТК судовых дизелей, работающих на тяжелых сортах топлива, существует необходимость разработки методов анализа процессов течения продуктов сгорания тяжелого топлива, сущности износов в элементах ТК и на основании выявленных причин - выработки технологических решений по их предотвращению на всех стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации.

Объект исследования - проточная часть радиально-осевой турбины с безлопаточным направляющим аппаратом современных турбокомпрессоров судовых дизелей.

Цель и задачи работы. Цель работы - анализ течения газа в радиаль-но-осевых турбинах с безлопаточным направляющим аппаратом (БНА) турбокомпрессоров судовых дизелей и процессов их износа на основе расчета турбулентного течения двухкомпонентной рабочей среды.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

- исследование химических, металлографических и механических свойств материалов ВУ и направляющих аппаратов РОС турбин современных ТК;

- постановка и проведение численного эксперимента по исследованию параметров течения рабочей среды с примесями твердых частиц, имеющих различные характеристики (упругость соударения со стенкой, размер, форма, начальная скорость, расположение на входе в ВУ), во входном устройстве с БНА и рабочем колесе РОС турбины;

- исследование влияния параметров абразивно (эрозионно)-опасных частиц на износ внутренней поверхности ВУ;

- разработка рекомендаций по снижению износа спиральной камеры ВУ.

Методы решения поставленных задач. В диссертационной работе использованы экспериментально-теоретические методы исследования. Основные научные результаты получены с применением современных научно-исследовательских приборов и программных комплексов. Химический анализ образцов был выполнен спектральным методом по программе CHUGUN и ST в режиме РА по трем прожигам на каждом образце с определением среднего значения полученных данных. Исследование микроструктуры образцов было осуществлено на шлифах, травленных 4-х процентным раствором HN03 при 100-кратном и 500-кратном увеличении на микроскопе Carl Zeiss Vision. Твердость исследуемых образцов определялась по методу Бринелля с помощью прибора TLL 2 (ГОСТ 90 12 - 59). Для моделирования турбулентного течения двухкомпонентной рабочей среды использован численный метод конечных объемов (МКО). Геометрические модели построены с использованием программного пакета Solid Works. Расчетная сетка создана с помощью программного комплекса Gambit фирмы Fluent. Расчет течения выполнен автором с использованием специализированного программного комплекса вычислительной динамики жидкости и газа фирмы Fluent.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

- впервые проведен анализ процессов течения продуктов сгорания тяжелого топлива и износа входных устройств РОС турбин ТК судовых дизелей на основе расчета турбулентного течения двухкомпонентной рабочей среды;

- исследовано влияние параметров двухкомпонентной рабочей среды на протекание процесса износа элементов проточной части РОС турбин ТК.

Теоретическое значение результатов заключается в том, что предложен комплексный подход, позволяющий анализировать сложную структуру реального потока продуктов сгорания двигателя в проточной части РОС турбин ТК с учетом наличия твердых частиц, прогнозировать влияние этих частиц на износ элементов турбин ТК.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

- предложен эффективный теоретико-расчетный метод анализа течения газа и процессов износа входных устройств РОС турбин ТК судовых дизелей, работающих на тяжелых сортах топлива;

- реализация этого метода анализа позволяет получить необходимую информацию о влиянии различных эксплуатационных факторов на характер движения двухкомпонентной среды и, как следствие, на процесс износа ВУ РОС турбин с БНА и рассмотреть возможные способы снижения этого износа;

- в результате численного эксперимента установлены особенности движения и параметры абразивноопасных потоков твердых частиц в спиральной камере ВУ;

- предложены способы снижения износа спиральной камеры ВУ;

- результаты выполненных исследований внедрены в департаменте технической эксплуатации флота ОАО «Новороссийское морское пароходство» (г.Новороссийск) и учебный процесс МГА им. адм. Ф.Ф.Ушакова (г.Новороссийск).

Достоверность научных результатов обеспечивается постановкой задачи, базирующейся на основных уравнениях динамики газа, применением современных программных комплексов расчета с использованием МКО и проверкой адекватности модели течения путем наблюдения за состоянием реальных элементов турбин ТК судовых дизелей, работающих на тяжелом топливе.

На защиту выносится:

- метод анализа процессов течения газа ВУ РОС турбин ТК судовых дизелей на основе расчета турбулентного течения двухкомпонентной рабочей среды;

- данные численного эксперимента по определению параметров частиц, участвующих в процессе интенсивного износа ВУ РОС турбин ТК;

- результаты численного моделирования процессов износа ВУ РОС турбин ТК.

Апробация и внедрение результатов исследования. Содержание диссертации обсуждалось и получило одобрение в Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете и Морской государственной академии имени адмирала Ф.Ф. Ушакова (г. Новороссийск), на семинаре «Высокие технологии в вычислительной гидрогазодинамике. Программные комплексы Fluent и Concept NREC» (г. Санкт-Петербург, 13-14 марта 2006 г.). Основные положения и результаты опубликованы в виде докладов и тезисов на Международной научно-технической конференции «Надежность и ремонт машин» (г. Орел, 2005 г.) и научно-технических конференциях МГА им. адмирала Ф.Ф. Ушакова (2003 - 2005 гг.) и СПбГМТУ (2005 г.).

Публикации. Основная часть материала прошла рецензирование и опубликована в виде научных статей в следующих изданиях: Труды НГМА (2003 г.), журнал «Двигателестроение» (№3, 2005 г.), Известия ВУЗов Северо-Кавказского региона, техн. науки (Спецвыпуск 2006 г.), Известия ВУЗов Северо-Кавказского региона, техн. науки, (Приложение к №3, 2006 г.). Из них четыре статьи в ведущих рецензируемых журналах ВАК.

Результаты исследования используются в курсе лекций, читаемых для курсантов и слушателей курсов повышения квалификации МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова.

Заключение

В результате выполнения диссертационной работы получены новые научные результаты, предложены рекомендации, позволяющие уже на стадии проектирования и изготовления турбокомпрессоров решить задачи, связанные с расчетом входных устройств радиально-осевых турбин с учетом эксплуатационных факторов (наличия твердых взвешенных частиц в продуктах сгорания тяжелых сортов топлива судовых дизелей). При решении этой научно-технической задачи получены следующие основные результаты и выводы:

1. Исследование химических, металлографических и механических свойств ВУ и направляющих аппаратов РОС турбин современных ТК показало, что:

- ВУ изготовлены из высокопрочного чугуна с шаровидной формой графита; при этом у входного устройства ТК типа Ш1 металлическая матрица состоит из феррита, а у входного устройства ТК типа N11 - из феррита и 8% перлита, что, является нарушением требуемой структуры, которая должна состоять из перлитной металлической матрицы и включений шаровидного графита с твердостью не менее НВ - 230. .250;

- ВУ ТК фирмы АВВ типа Ю?. с БНА должно быть изготовлен из высокопрочного чугуна, имеющего структуру, состоящую из перлитной и сорбит-ной металлической матрицы и включений шаровидного графита, при этом наличие феррита не допускается; в этом случае твердость ВУ должна находиться в пределах НВ - 230. .270;

- сопловый аппарат турбины ТК типа N11, изготовленный из стали аустенитного класса марки 25Х15Н26М5Г2 с твердостью НВ менее 100 не соответствует условиям эксплуатации; для условий работы данного соплового аппарата необходимо применение более умеренно легированной жаростойкой стали типа сильхрома марки 40Х9С2, которая обладает достаточной жаростойкостью и при этом довольно хорошей износостойкостью;

2. Расчетный анализ движения частиц во входном устройстве необходимо выполнять с использованием модели турбулентного течения вязкого газа, так как на перенос частиц определенного диапазона размеров могут оказывать существенное влияние перетекания в трехмерном пограничном слое на стенках спиральной камеры.

3. В износе внутренней поверхности ВУ участвуют главным образом твердые частицы со следующими параметрами: с размерами 0,05мм и более; с коэффициентом формы 0,6 - 0,7; при нормальной и тангенциальной степени упругости удара, лежащей в диапазоне 0,8 - 0,9.

4. Параметры движения абразивно (эрозионно) опасных частиц в зоне износа (вблизи «языка» входного устройства) слабо зависят от величины начальной скорости и места расположения выпуска частиц во входном сечении ВУ.

5. Твердые частицы с размерами более 0,05 мм могут накапливаться в спиральной камере, совершая в процессе движения более одного оборота вокруг оси вращения турбины. При этом их скорость приближается к максимальной скорости потока газа во входном патрубке. Однако основная часть твердых частиц не совершает более двух оборотов.

6. Твердые частицы с размерами 0,05 - 0,5 мм имеют значительную величину тангенциальной составляющей импульса при соударении с внутренней поверхностью ВУ в зоне износа. При этом абразивный износ играет существенную роль в процессе разрушения.

7. Улавливание частиц в спиральной камере ВУ неэффективно из-за конструктивных трудностей размещения улавливающего устройства в зоне наибольшей концентрации частиц (зоне языка). В других местах ВУ частицы значительно рассеяны в пространстве, и эффективно улавливать их невозможно.

8. Выполненная приближенная оценка параметров влияющих, на разрушение поверхности стенки ВУ из-за взаимодействия с твердыми частицами показала, что скорость разрушения (износа) ВУ РОС ТК типа RR-181 (ABB) составляет примерно 34 мм за 3800 час эксплуатации двигателя. Полученный результат расчета удовлетворительно согласуется с наблюдаемой в процессе эксплуатации картиной износа ВУ ТК RR-181 (ABB), RH 143/163 (фирма Mitsubishi).

1. Ципленкин Г.Е., Дейч Р.С. Обзор докладов по турбокомпрессорам. Дви-гателестроение, №4,2001, с. 55 - 59.

2. Kneip S., Bomhorn A. MAN B&W new turbocharger generation TCR product development and fírst test results. - Paper № 109, CIMAC 2004. Kyoto.

3. Николаев Н.И. и др. Характерные неисправности и отказы турбонагнетателей с радиальной турбиной судовых дизель-генераторов. Морской транспорт. Серия Техническая эксплуатация флота и судоремонт: ЭИ. - М., 2002. Вып. 4 (916), с. 1-6.

4. Башуров Б.П., Шарик В.В. Функциональная надежность турбокомпрессоров систем наддува судовых дизелей. Двигателестроение, №2, 2005, с. 23-29.

5. Янек Е., Штрикерт X. Техническая диагностика судовых машин и механизмов. Пер. с немецкого. Л.: Судостроение, 1986, с. 232.

6. Овсянников М.К., Петухов В.А. Эксплуатационные качества судовых дизелей-JI.: Судостроение, 1982, с. 208.

7. Born Н., Meier М., Roduner С. TPS F; a new seríes of small turbochargers for highest pressure ratios. - Paper №34. CIMAC 2004. Kyoto.

8. MAN B&W. Radial Turbochargers 32000 Hours in HFO operation. Onboard Interim Report. Status: AVT 06/95, p. 5.

9. Ю.Трухний А.Д., Лесев C.M. Стационарные паровые турбины. Под ред. Б.М. Трояновского. -М.: «Энергоиздат», 1981, 456 с.

10. Розенберг Г.Ш., Ткачев Н.М., Кострыкин В.Ф. Центростремительные турбины судовых установок. JL: Судостроение, 1973.

11. Шальман Ю.И. Износ и изменение параметров осевой и центробежной ступеней компрессора при работе на запыленном воздухе. Сб. «Вертолетные газотурбинные двигатели». Машиностроение, 1996.

12. Eckert В. Einfluch des Staubes bei Gasturbinen von Landfahrzeugen, MTZ, 1964 B.2, N 25.

13. Н.Алферов H.C. Ударная эрозия рабочих лопаток турбин на твердом топливе, Диссертация. -М.: ЦКТИ, 1952.15.0лесевич К.В. Износ элементов газовых турбин при работе на твердом топливе. Машгиз, 1959.

14. Кириллов И.И. Теория турбомашин. Д.: Машиностроение, 1972, с. 483-492.

15. Фадеев И.П., Биржаков М.Б., Маслянко А.И., Хавич C.JI. Эрозия деталей паровых турбин. Энергетическое машиностроение (НИИЭинформэнер-гомаш), 1982, №6.

16. Николаев Н.И., Епихин А.И. Анализ методов профилирования входных устройств радиально-осевых турбин. Труды НГМА, 2003, с. 111-115.

17. Губарев А. В., Филипов Г. А., Лазарев Л. Я., Пандьян А. Д. Методика проектирования и результаты исследования безлопаточного направляющего аппарата для радиально-осевых турбин. Изв. вузов. Авиационная техника, №2, 1962.

18. Митрохин В. Т. Выбор параметров и расчет центростремительной турбины на стационарных и переходных режимах. М.: Машиностроение, 1974.

19. Холщевников К. В, Емин О. Н., Митрохин В. Т. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. М.: Машиностроение, 1986.

20. Табакофф, Шеоран, Кролл. Измерения параметров течения в улитке турбины. Теоретические основы инженерных расчетов, т. 102, №3, 1980, с. 113-119.

21. Хамед, Баскароне. Анализ трехмерного течения в улитке турбины. Теоретические основы инженерных расчетов, т. 102, №3, 1980, с. 119 - 124.

22. Хамед, Баскароне, Табакофф. Исследование течения в узле улитка сопловой аппарат центростремительной турбины. - Теоретические основы инженерных расчетов, т. 100, 1978, №1, с. 152 - 157.

23. Хирин Ч., Варзе Г., Метод конечных элементов для расчета течения в тур-бомашинах. Теоретические основы инженерных расчетов, 1976, №3,с. 173 190.

24. Рухамин Г.И. Разработка метода расчета и исследования входных патрубков турбокомпрессоров. Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук.-Д.: ЛПИ, 1979,17 с.

25. Герман В.А. Разработка метода расчета и оптимизация симметричных улиток и несимметричных кольцевых сборных камер центробежных компрессоров. Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. Л.: ЛПИ, 1985, 20 с.

26. Бреббия К., Телес Ж., Вроубел Л. Методы граничных элементов. М.: Мир, 1987, 524 с.

27. Niazi Saeid, Stein Alex and Sankar L.N. Development and Application of a CFD Solver to the Simulation of Centrifugal Compressors. AIAA Paper 980934 (A98-16733), Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, 36th, Reno, NV, Jan. 12-15,1998.

28. Sieros G., Papailiou K.D. The Design of Small Centrifugal Compressors Using Advanced Computational Means. ERCOFTAC (European Research Community On Flow Turbulence And Combustion) Bulletin No. 42: September 1999.

29. Шерстюк А. Н., Мамедов 3. М. О влиянии угла выхода потока и высоты канала безлопаточных направляющих аппаратов осевых турбин на их эффективность. Труды МЭИ, вып. 203,1974.

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

31. Morkovin, M.V.: Effects of Compressibility on Turbulent Flow. The Mechanics of Turbulence, Favre, A. (ed.), Gordon and Breach, New York, 1964.

32. В. E. Launder, D. B. Spalding. Lectures in Mathematical Models of Turbulence. Academic Press, London, England, 1972.

33. T.-H. Shih, W. W. Liou, A. Shabbir, and J. Zhu. A New k-eEddy-'Viscosity Model for High Reynolds Number Turbulent Flows Model Development and Validation. Computers Fluids, 24(3):227-238,1995.

34. F. R. Menter. Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications. AIAA Journal, 32(8): 1598-1605, August 1994.

35. D. C. Wilcox. Turbulence Modeling for CFD. DCW Industries, Inc., La Canada, California, 1998.

36. В. E. Launder and D. B. Spalding. The Numerical Computation of Turbulent Flows. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 3:269-289,1974.

37. S. A. Morsi and A. J. Alexander. An Investigation of Particle Trajectories in Two-Phase Flow Systems. J. Fluid Meek, 55(2): 193-208, September 26 1972.

38. A. Haider and O. Levenspiel. Drag Coefficient and Terminal Velocity of Spherical and Nonspherical Particles. Powder Technology, 58:63-70, 1989.

39. Clift, Grace, and Weber. Bubbles, Drops, and Particles. Technical report, Academic Press, 1978.

40. Николаев Н.И., Савченко В.А. Современное состояние и техническая эксплуатация турбонаддувочных агрегатов: Монография. СПб.: Судостроение, 2005.- 114 с.

41. Камкин С.В., Возницкий И.В., Шмелев В.П. Эксплуатация судовых дизелей. М.: Транспорт, 1990,344 с.

42. Семенов B.C., Трофимов П.С. Долговечность цилиндро-поршневой группы судовых дизелей. -М.: Транспорт, 1969, 261 с.

43. Трактовенко И.А. Исследование стабильности дизельных топлив.: Труды Центр. Ордена Трудового Красного Знамени НАМИ. Вып. №6,1959.

44. Большаков В.Ф. Исследование работы судового малооборотного дизеля на моторном топливе ДТ-1.: Техническая эксплуатация морского флота. Инф. сборник ЦНИИМФ, вып. 119.1964.

45. СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ АВТОРА

46. Николаев Н.И. Анализ методов профилирования входных устройств ради-ально-осевых турбин. Текст. / Н.И. Николаев, А.И. Епихин // Труды НГМА, 2003.-С. 111-115.

47. Директор департамента управления имуществом ОАО «Новороссийское морское пароходство», к.т.н., доцент

48. Флит-менеджер департамента технической эксплуатации флота ОАО «Новороссийское морское пароходство»1. К.Б. Пальчик1. С.А. Загоскин1. Прс/лррк.е/^ия £1. УТВЕРЖДАЮ1. АКТ

49. О внедрении научных результатов диссертационной работы Епихина А.И.

50. Анализ износа входных устройств радиально-осевых турбин турбокомпрессоров судовых дизелей на основе расчёта двухкомпонентнойрабочей среды»

51. Начальник Судомеханического факулгто'го

52. МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова к.т.н., доцент1. Ю.Г. Косолап

53. Начальник Заочного факультета МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова доцент1. О.Н. Герасименко