автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Энергетические возможности импульсной системы газотурбинного наддува ДВС и способы повышения ее эффективности

2 (» ФЕЙ

На правах рукописи

Юренков Валерий Николаевич

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИМПУЛЬСНОЙ

СИСТЕМЫ ГАЗОТУРБИННОГО НАДДУВА ДВС И СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЕЁ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Специальность 05.04.02. - Тепловые двигатели

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул 1997

Работа выполнена на кафедре "Двигатели внутреннего сгорания" "Теплотехника и гидравлика" Алтайского государственного тс ннческого университета им. И.И.Ползунова и АО "Алтайдизель".

Научный руководитель: Научный консультант:

кандидат технических наук, профессор Л.В.Нечаев

кандидат технических наук, доцент В.М.Никитин

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Л.А.Шеромов

кандидат технических наук, доцент, ведущий конструктор "Барнаултрансмаш" Э.И.Бургсдорф

Ведущее предприятие:

Институт теплофизики СО РАН (г.Новосибирск)

Защита диссертации состоится " 41 " л/лр/М'С 1997 года /А часов на заседании Диссертационного совета Д 064.29.01. при А тайском государственном техническом университете в конференц-за (656099, г.Барнаул, пр.Ленина, 46).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АлтГТУ. Отз вы на автореферат в двух экземплярах заверенные печатью Ваше учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя учено секретаря Диссертационного Совета.

Автореферат разослан " № " фебраЛ^ 1997г.

Ученый секретарь совета Д 064.29.01.

д.т.н., профессор В.А.Синицын

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Эффективность агрегатов наддува в значительной степени определяет важнейшие технико-экономические и экологические показатели современных комбинированных двигателей внутреннего сгорания (ДВС). В связи с этим как на стадии проектирования, так и на стадии доводки большое значение имеют правильно определенные параметры агрегатов наддува. Выбор типа турбокомпрессора (ТК) производится в зависимости от типа двигателя и его назначения и на первоначальной стадии создания силовой установки его основные параметры определяются расчетом. Однако, в дальнейшем при доводке двигателя приходится пользоваться характеристиками компрессоров и турбин, снятых на стендах при практическом отсутствии колебаний давлений на входе и выходе из этих агрегатов. В тоже время двигателю внутреннего сгорания присуще, вследствие цикличности осуществления рабочего процесса, наличие колебаний в системе впуска и выпуска. Это приводит, во-первых, к изменению характеристик турбины и компрессора, и, во-вторых, к появлению эффектов, из-за которых оценка располагаемой мощности турбины по осредненным параметрам потока не совпадает с ее действительной мощностью. В результате при согласовании характеристик дизеля, компрессора и турбины, работающих совместно, возникают проблемы, которые можно устранить лишь с помощью дорогостоящих экспериментов путем перебора вариантов проточных частей турбокомпрессора. Удешевление процесса доводки вновь спроектированного или форсированного наддувом двигателя на более высокую мощность связано со значительным экономическим эффектом, а более точная настройка компрессора - с существенным улучшением технического уровня двигателя. Во многом решение этой проблемы увязывается с правильной оценкой характеристики энергетического баланса системы наддува ДВС, но для этого требуется проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований пульсирующих течений газа.

Цель исследований. Целью исследования является выявление возможности улучшения эффективных показателей быстроходных четырехтактных автотракторного типа дизелей (и важнейшего из них - топливной экономичности) путем уточнения расчетных методик определения параметров газа в выпускном коллекторе двигателя и улучшения гидравлических качеств элементов выпускной системы в условиях пульсирующего потока.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе проведены:

1) анализ существующих методик по подбору турбокомпрессора к двигателю для изобарных и импульсных систем наддува с учетом колебания газа в выпускном коллекторе;

2) оценка влияния нестационарности на располагаемую энергию газа и на потери энергии в газовом тракте двигателя с целью внесения со-

ответсгвующих корректировок в методики по подбору агрегатов надц; ва;

3) экспериментальные исследования характеристик импульсноа пульсирующего потока при работе двигателя на различных нагрузках частотах вращения коленчатого вала и установлен характер их измен ния в зависимости от степени форсировки двигателя по наддуву и часто вращения;

4) оценка влияния сопротивления на впуске и противодавления 1 выпуске на характеристики импульсности газового потока перед турб) ной ТК и в этой связи - их влияние на характеристику энергетическог баланса системы наддува ДВС при работе в условиях, отличающихся с "объектовых".

В процессе выполнения работы разработаны:

1) методика определения характеристик уровня пульсаций газа п ред турбиной в зависимости от основных конструктивных параметре выхлопного тракта двигателя и режима его работы;

2) практические рекомендации по подбору агрегатов наддува дт ДВС с импульсными системами наддува и по согласованию их характ ристик с характеристиками дизеля.

Методика и объект исследования. При решении задач, определи ных целью исследования, использовались расчетные и экспериментал ные методы. Расчетные методики получены в результате анализа опубл] копанных научно-исследовательских работ и их развития применителы к конкретным задачам, возникающим при разработке новых двигатеш в конструкторской практике. Критерием выбора и развития расчетнь методик служила их простота и возможность реализации на, персонал ном компьютере, но с учетом некоторых эффектов, не учитываемых р нее. В качестве объектов экспериментальных исследований служили дв; гатели 6 ЧН15/18 (физическая модель) и форсируемые наддувом дизе; Алтайского моторного завода типа 4 ЧН13/14 (АО "Алтайдизель").

Научная новизна. Разработана, методика, согласования характер стик турбины агрегата наддува и дизеля, существенной частью которс являются:

- представление переменного давления перед турбиной но углу п ворота коленчатого вала (углу ПКВ) в относительных координатах и и пользование полученных экспериментальным или расчетным путем кр вых в виде разложения в ряд Фурье;

- использование при анализе энергетических возможностей импул са безразмерного критерия Иг, однозначно определяющего коэффициен корректирующий мощность потока, определенную по показаниям ине ционных приборов до ее действительного значения, независимо от фо мы и частоты импульса и обобщающего все ранее известные характер стики, характеризующие импульс;

- уточнение математической модели импульса, дающей возмо: ность анализировать влияние различных конструктивных факторов в]

пускной системы ДВС в виде безразмерных комплексов на обобщенный критерий импульсности и через него - на коэффициент импульсности пульсирующего потока;

- оценка границ, в пределах которых влияние нестационарности пульсирующего потока существенно на располагаемую энергию газа перед турбиной ТК;.

- оценка влияния частоты и амплитуды колебания давления на гидравлические потери в коллекторе при движении газа от выпускного клапана цилиндра к входному отверстию турбины;

- разработка методики расчета корректирующих коэффициентов, позволяющих по характеристикам турбины, полученным на стационарном потоке и нагрузочным характеристикам двигателя определять действительные параметры турбины при работе на двигателе.

Практическая значимость. Разработанный комплекс методик позволяет:

- подбирать рациональные соотношения важнейших конструктивных параметров, определяющих эффективность работы двигателя, и в том числе отношения площади сечения выпускного клапана к площади поперечного сечения выпускного трубопровода и площади поперечного сечения выпускного трубопровода к площади соплового аппарата турбины;

- уменьшить объем трудоемких и дорогостоящих экспериментов по согласованию характеристик отдельных компонентов выпускной системы и поршневой части двигателя, избегая перебора вариантов проточных частей турбин, компрессоров и выпускных коллекторов.

Методики расчетов легко реализуются на персональном компьютере и допускают замену натурного эксперимента численным на математической модели.

Реализация результатов работы. Результаты работы использовались при выборе системы наддува для двигателей типа 6 ЧН15/18, при отработке базовой модификации дизелей типа ЧН15/15 на повышенные ре при ограничении по рг до 11-12 МПа (двигатели АО "Барнаултрансмаш") и при доводке систем наддува двигателей типа ЧН13/14 (Д-440, Д-460 и др.) Алтайского моторного завода (АО "Алтайдизель").

В результате исследования рабочего процесса, системы турбонад-дува двигателя 6 ЧН15/18 была установлена возможность дальнейшего его форсирования до мощности 320-330 л.с. при сохранении температуры газов перед турбиной не выше 550°С и экономичностью не ниже 165-168 г/эл.с.ч. Этот вывод стал возможен в результате комплексной оценки качества рабочего процесса и процессов в газовоздушном тракте, в том числе и в результате общего анализа закономерностей изменения показа-телй импульсности потока выпускных газов при изменении нагрузки рс и частоты вращения п, сопротивления на впуске и противодавления на выпуске.

При доводке систем наддува двигателей типа ЧН13/14 использовались характеристики турбин и компрессоров агрегатов наддува, снятые на гладком потоке, которые корректировались затем с учетом условия работы их на двигателе. В результате выбирались геометрические размеры проточных частей, соответствующие оптимальным значениям параметров двигателей. Корректировки производились с учетом результатов индицирования давлений газа перед турбиной и с использованием методики анализа импульсности, представленной в данной работе.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены докладами и сообщениями на Всесоюзных, межотраслевых, межвузовских конференциях и семинарах, в том числе:

- в ЦНИИ Морского флота на XVII научно-технической конференции аспирантов, соискателей и молодых научных сотрудников ЦНИИ Морского флота (Владивосток, 1977);

в Омске на 40 научно-технической конференции Сиб. Автомобильно-дорожного института (Омск, 1980);

- в МВТУ на Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и топлив" (Москва, 1980);

- в ЛПИ на Всесоюзном научном семинаре " Нестационарные процессы в проточной части турбомашин" (Ленинград, 1980);

- в НИИВТ на 23 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и Западно-Сибирского научно-технического общества водного транспорта (Новосибирск, 1982).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 статей, отчет по НИР, включающий авторские разделы и учебное пособие для самостоятельной работы студентов, в котором изложены некоторые результаты исследований по теме диссертации.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из основной части, списка литературы и приложения. Основная часть включает введение, шесть глав и выводы. Она содержит страниц основного текста

страниц о?<Г иллюстраций, а также 13 страниц списка литературы включающего в себя 108 наименований и приложения на 9 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, егс научная новизна и практическая значимость, формулируется цель исследования и указываются пути достижения этой цели.

В первой главе дается аналитический обзор опубликованных мате риалов по определению располагаемой энергии пульсирующего потока i выпускных системах двигателей внутреннего сгорания и излагаются ме тодики оценки влияния нестационарности, связанной с переменностьк

термодинамических параметров (давления и температуры) во времени на величину этой энергии и на эффективность срабатывания переменного во времени теплоперепада на ступени центростремительной турбины агрегатов надцува. Для двигателей с импульсными системами наддува эта проблема имеет первостепенное значение. Решению сложных задач газовой динамики пульсирующего потока в проточных частях ДВС посвящены работы Орлина A.C., Круглова М.Г., Гришина Ю.А. (МВТУ), Хани- ! на Н.С. (НАМИ), Иванова П.В., Байкова Б.П. (ЦНИДИ), Симеона А.Э., I Зацеркляного М.М., Мунштукова Д.А. (ХИИТ, Харьков), Левковича ; С.Л. (ХПИ, Харьков), Егорова Я.А. (Запорожье) и др. исследователей. |

При определении располагаемой энергии газа перед турбиной агрегата наддува удобнее всего пользоваться значениями термодинамических параметров, замеряемых штатными приборами. Но рассчитанная по этим параметрам располагаемая энергня будет отличаться от действительной в силу двух причин. Во-первых, результаты будут зависеть от способов регистрации переменных параметров и их осреднения и, во-вторых, из-за неучета в расчетных формулах скорости изменения термодинамических параметров, что приводит к появлению эффектов, называемых нестационарными. Правила осреднения многочисленны, разнообразны, но теоретически не всегда обоснованы. Поэтому появились многочисленные работы (Симеон А.Э., Банков Б.П., Петровский Н.В., Иванов П.В. и др.), в которых располагаемая энергия газа определялась по параметрам осредненного приборами потока, но уточнялась при помощи так называемых коэффициентов импульсности по расходу Ко, располагаемому теплоперепаду Кн и располагаемой мощности Kn. Были созданы совершенные методики по определению этих коэффициентов и одновременно создавались математические модели потоков с быстроменяющимися параметрами во времени (Ханин Н.С., Симеон А.Э.) с проверкой их адекватности действительности экспериментом. Первоначально в расчетную схему моделей закладывался принцип изотропности рабочего тела в проточных частях (Глаголев Н.М., Орлин A.C.), т.е. процесс в газовоздушном тракте двигателя принимался квазистационарным. Эта идея оказалась плодотворной и не исчерпала себя до сих пор. С развитием вычислительной техники все большее развитие получают аналитические методы определения параметров рабочего тела, основанные на решении системы дифференциальных уравнений сохранения газовой динамики ( Бенсон Р., Гисслер Г., Мидзумати Н., Борман М., Круглов М.Г., ! Карелин А.Н., Егоров Я.А., Рудой Б.П. и др.). В этих моделях учитываются волновые явления, возникающие из-за конечной скорости распространения возмущений в потоке газа с переменными во времени параметрами. С развитием экспериментальных и математических методов исследования процессов в ДВС степень сложности моделей возрастает. Наиболее широкое применение при реализации этих моделей в программном продукте нашли методы конечных разностей и характеристик. Результаты расчетов по этим моделям представляют академический ин-

б

терес, так как в производственных условиях при решении конкретных за дач, возникающих при доводке системы наддува двигателя, их реализа ция затруднительна. По-прежнему широко используются и развиваюта расчетные методы, в основе которых лежат квазистационарные пред ставления, но которые либо уточняются путем ввода поправок на неста ционарность (Иванов П.В.), либо используют упрощенные расчетные схемы в виде одномерного течения с сохранением локальной производной изменения скорости в уравнении движения газа (Егоров Я.А., Ханш: Н.С.). Однако, полученные решения в этих методиках не позволяют оценить влияние частоты и размаха колебания давления (амплитуды) в импульсе на его энергетические возможности, которое несомненно имеез место. В некоторых работах это влияние оценивается с помощью электроакустической аналогии (Седач B.C.). Имеется значительное количество работ, опубликованных в основном, в зарубежных источниках (Н.Мидзумати, М.Козухе, Н.Яманака и др.), в которых влияние частоты и формы импульса на техническую работоспособность газа исследовалось на физических моделях. В результате этих работ были получены формулы для определения показателя формы пульсации давления потока и его влияния на амплитуду пульсации скорости. В некоторых из этих работ (Х.Иошики, К.Коничн) был сделан вывод, что изменение частоты импульсов на характеристику турбины, утилизирующей энергию выхлопных газов, влияния не оказывает. В то же время в более ранней (экспериментальной) работе Пильчера, Вудса и др. приводятся результаты исследований, которые показывают, что квазистатический метол расчета импульсных турбин дает значительную ошибку (цо 30%). Это же подтверждается отечественными исследованиями (например, Локая В.И.), результатами опытов которого установлена зависимость протекания характеристики турбины от частоты пульсаций подводимого к ней газа.

Наличие колебаний термодинамических параметров изменяет не только вид характеристики технического устройства (выпускной коллектор, турбина и т.п.), через которое проходит пульсирующий газ, но и вызывает дополнительные потери энергии в этих устройствах (Круглой М.Г., Карелин А.Н., Строганов М.К. и др. - потери энергии газа в выпускных устройствах двигателей, Кириллов И.И., Ласкин A.C., Самойловых Г.С., Лопатицкий А.О. и др. - потери энергии от нестационарности в турбинах). Однако, полной ясности о механизме возникновения и об уровне значений их удельного веса в общем балансе потерь пока нет. К тому же наличие колебаний и волновых явлений в газовоздушном тракте ДВС можно использовать для улучшения технико-экономических показатели двигателей путем специальных конструктивных мероприятий и очень часто - с большим эффектом (Березин С.Р., Круглов М.Г., Рудой Б.П., Якубов А.Д. и др.).

Таким образом, существует проблема повышения эффективности использования энергии выпускного потока газов в комбинированны?

ДВС. К одному из направлений разрешения указанной проблемы следует отнести исследование рационального сочетания конструктивных элементов выпускной системы с учетом взаимодействия волн давления с оптимальным вариантом газовой турбины агрегата наддува, работающей в пульсирующем потоке. Для успешного решения этой задачи необходимо накопление экспериментального материала о характере колебаний пульсирующего потока в выхлопном тракте, характере их изменений с изменением нагрузки двигателя и частоты вращения коленчатого вала и соответствующее развитие расчет ных методик.

Во второй главе определяются количественные критерии импульс-ности и устанавливается их связь с величиной располагаемой энергии пульсирующего газового потока.

В отечественной литературе для оценки показателей импульсности потока выпускных газов применяется безразмерный комплекс, Дртаах/Дртср, который является относительной амплитудой максимального избыточного давления перед турбиной в период свободного истечения. Он используется для введения поправочных коэффициентов на им-пульсность потока выхлопных газов (ВГ) для характеристики величины располагаемой работы, расхода газа через турбину и для корректировки КПД импульсной турбины по зависимости г^о* = Г(Арпг.м/ЛртЧ)), являющейся результатом обобщения большого количества экспериментов на двигателях разных типов. Этот коэффициент применялся автором в исследованиях импульсности потока выхлопных газов при выполнении хоздоговорной НИР для ПО "Барнаултрансмаш". Использование коэффициента Дрпгах/Артср нельзя признать удачным, т.к. этот параметр не является критерием подобия в общепринятом смысле этого слова и зависит от внешних условий и других факторов конструктивного и режимного характера. Считается, что с ростом Др1Ср коэффициент ДрШах/Ар гер ДЛЯ режимов двигателя при номинальной нагрузке монотонно падает. Однако, в действительности, наблюдается более сложная связь рт с Арттах/Артср, которая зависит еще и от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Одним параметром нельзя описать все свойства импульса, поэтому учитывая его сложную структуру был введен параметр, названный именем К.Циннера

Яг ,

л -1 т

(1)

где А щах - максимальная относительная амплитуда колебания в импульсе, лТ - степень расширения газа на турбине.

Этим параметром однозначно определяются коэффициенты импульсности по расходу К-с—С дейст/Оср.п, МОЩНОСТИ ЬСк—ЭДдейст/ЭДср.г» И Н¿ШОРУ Кн = Нср/Нср.п. Зависимости Ко=]Г(я2) и Кк=Г(Пг) являются опытными

(получены К.Цнннером и подтверждены отечественными исследователями) и хорошо аппроксимируются для двигателей различных типов стел

пенной функцией вида К=1 + -к'г. Диапазон их изменения лежит в

1

интервалах: Кс=1-0.7; = 1-1.5 при значениях тъ=1-3.5.

Коэффициент импульсносги по напору Кн необходим при анализе работы системы наддува, где используется уравнение баланса мощности компрессора и турбины и где точность получаемых результатов в значительной степени определяется точностью расчета располагаемой работы турбины. Ее значение определяется по показаниям, фиксируемым штатными приборами й отличается от действительного из-за пульсации давления газа перед турбиной. Степень расхождения рассчитанной и действительной располагаемой работы оценивается коэффициентом Кн.. Можно доказать, что

_ . п,-(\-т) лтТ

кн_ ——=1-----——<1, (2)

Нсрп 4 ЯТ - 1 1

где Ар, - относительная амплитуда колебания давления в i-ой гармонике импульса, разложенного в ряд Фурье, m=(kr-l)/kr - константа, определяемая значением показателя адиабаты кг для выпускных газов.

Точность определения расхода воздуха в этом случае не играет ни какой роли, поскольку в уравнении баланса мощности турбины и компрессора он сокращается, но при этом надо иметь в виду, что это действительный расход, определяемый штатными расходомерными устройствами и коэффициент Kg в уравнение баланса мощности турбины и компрессора не должен входить. Коэффициент импульсности по мощности, как и коэффициент Ко, зависит от параметра и они могут быть выражены один через другой. Однако, для определения яг необходимо располагать информацией об относительной амплитуде колебания давления в ИМПуЛЬСе Anmax—(prmax " рптп)/ртср, которая может быть получена либо опытным путем, что дорого, либо расчетным с исследованием математической модели импульса. В данной работе Ama определялась расчетным путем, но все ее связи с конструктивными и режимными параметрами двигателя проверялись экспериментом.

При наличии кривых колебания давления в коллекторе двигателя представленных в относительном виде в координатах рт/ртФ = f(t/TM) значение коэффициента импульсности по мощности Kn можно получит! в виде

предварительно рассчитав текущие значения относительной адиабатической скорости истечения газа из эквивалентного сопла са/саср, разложив периодические функции са/саср = №/Ти) в ряд Фурье и выполнив необходимые математические преобразования. Представление изменения давления в импульсе в относительной форме допускает высокую степень обобщения результатов исследования, т.к. форма кривых импульса в таких координатах является типичной для двигателя независимо от его типа и назначения и отражает особенности его рабочего процесса.

На рис.1, 2 и 3 представлены результаты индицирования давления газа в выпускном коллекторе при различных нагрузках и частотах вращения коленчатого вала двигателя 6 ЧН15/18.

В третьей главе оценивается влияние нестационарности на располагаемую энергию пульсирующего потока газа.

При определении корректирующего множителя Км, уточняющего располагаемую энергию газа перед турбиной, процесс переноса энергии от клапанов двигателя к входному сечению турбины считается квазистационарным. Однако в действительности, и особенно в случае высокооборотных двигателей, имеют место высокие скорости изменения параметров в пределах одного цикла и пренебрегать влиянием нестационарности на величину располагаемой энергии перед турбиной нельзя. Для того, чтобы получить значение поправки в виде коэффициента нестационарности скорости Ки, позволяющего уточнить значение действительной скорости истечения газа из эквивалентного сопла, по которой оценивают величину располагаемой работы при адиабатическом расширении газа в любой момент времени цикла, необходимо проинтегрировать дифференциальное уравнение

ас/а + с дс1дх = -1/р 5Р/Эх

В результате его интегрирования для поправочного коэффициента Ки получено выражение:

\ Л(_ ( N

^±+1 + ££±-11 Ки=-^--- 2' , (4)

ГД6 2а—Ся^/Саср " отношение текущего значения адиабатической скорости истечения на ьом участке кривой с периодом Ти и интервалом Д/ = Л/ / Та к средней скорости адиабатического истечения из эквивалентного сопла, 8Ь=лОт п/40саф - число Струхаля, подсчитанное по характерным геометрическим (диаметр колеса турбины От) и режимным параметрам (частота вращения коленчатогов вала п и средняя скорость неге-

чения из эквивалентного сопла Саср). Таким образом, коэффициент нм-пульсносги Ки определяется числом Струхаля и изменяется в течение периода газообмена, отличаясь тем больше, чем значительнее изменения давления и температуры газа перед турбиной за цикл. В результате кривая зависимости адиабатической скорости истечения газа из эквивалентного сопла сглаживается, разность между максимальным и минимальным значением функции c5=f(t/Tffl) уменьшается. Такая "деформация" эпюры скорости слабо сказывается на средней скорости истечения из эквивалентного сопла и, следовательно, на расходе, подсчитанном с учетом инерционного члена в исходном дифференциальном уравнении, но уменьшает располагаемую энергию газа за счет снижения коэффициента импульсности потока Kn. Таким образом, нестационарность газового потока перед турбиной, имеющая место из-за цикличности рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания выравнивает импульс, уменьшая энергетический выигрыш от применения импульсной системы наддува. правда, это уменьшение невелико и не превосходит 2-3% для высокооборотных двигателей. Для малооборотных (судовых) и среднеоборотных двигателей оно ничтожно мало и процесс в газовоздушных трактах этих двигателей можно считать квазистационарным.

На рис.4 представлены результаты расчетов по оценке влияния нестационарности на адиабатическую скорость истечения из эквивалентного сопла для одного из режимов двигателя 6 ЧН15/18, работающего Hi частоте вращения п=1500 об/мин. При замене турбокомпрессора ж меньший типоразмер процесс приближается к квазистационарному. IIpi увеличении площади соплового аппарата ТК параметры импульса расту; и расхождение между квазистационарным и нестационарным значениям! располагаемой энерг ии импульса увеличивается.

В четвертой главе излагается методика расчета потерь в коротко?, цилиндрическом канале при пульсирующем течении газа.

Выпускной коллектор двигателя представляет собой ряд последо вательно соединенных коротких цилиндрических каналов, через которы движется газ с переменными во времени давлением и температурой. По тери на трение в этих каналах, наряду с потерями на удар имеют значи тельный удельный вес в общем балансе потерь и являются одним из фак торов, определяющих форму импульса давления перед турбиной и эф фективность выпускной системы дизеля в целом. При их определент можно пользоваться формулой Дарси-Вейсбаха для стационарных тече ний, но при этом коэффициент гидравлического трения h<c будет отли чаться от своего квазистационарного значения Яке и должен определятьс по формуле [9]

1- —— \-Лкс\ КХи-

Sh -Д

v

• 2k • А »* • cos 2кл--+<рк , (5)

к=1 ч Тф J

г

t

где \l\cp - текущее значение относительной скорости движения газа в коллекторе , 7,, - относительная амплитуда колебания скорости газа в к-й гармонике, БЬ- число Струхаля, определяемое по осредненным значениям параметров.

Число Струхаля 5Ь=мс1/Уср, относительная амплитуда колебания скорости А,к и относительная скорость движения газа у/усрсвязаны между собой, причем амплитуда колебания скорости газа в коллекторе определяется степенью форсировки двигателя по наддуву и быстро уменьшается с увеличением степени повышения давления в компрессоре ТК [7] при условии сохранения температуры газа перед турбиной на безопасном уровне (в данной работе 1Ттах=600-б50°С).

Анализ гидравлических потерь в выпускном коллекторе двигателя 6 ЧН15/18 показал, что потери энергии на трение при пульсирующем течении газа на отдельных участках периода колебания Та увеличивается в 34 раза, причем, их пик приходится на заключительную фазу свободного истечения газа из цилиндра, т.е. на промежуток времени, когда турбина работает с максимальным КПД (рис.5).

В пятой главе описывается математическая модель импульса выхлопных газов ДВС.

Она необходима для определения уровня колебания параметров (давления и температуры) перед турбиной агрегата наддува при выборе основных соотношений геометрических размеров выпускной системы двигателя. При этом преследуется цель сохранения располагаемой энергии газа при его движении от выпускного клапана к турбине на максимально высоком уровне и максимально эффективное использование ее в турбине ТК.

В основе математической модели импульса лежит балансовый метод с использованием весовых и энергетических балансов и с учетом переменности давления и температуры рабочего тела в системе. Отличие описываемой модели импульса от ранее опубликованных заключается в том, что вместо громоздких комплексов, входящих в общеизвестные формулы для вычисления расходов, используются газодинамические функции, замкнутые на степень понижения давления в турбине 7гт, однозначно определяющей степень форсировки двигателя через связь со степенью повышения давления в компрессоре тгк, и применяются текущие безразмерные давления рт/ргср при определении параметров системы наддува. Все величины, входящие в замкнутую систему уравнений, использовались в безразмерном виде, что расширяет возможности применения модели при анализе работы двигателей, отличающихся от исследованных.

В законченном виде модель представляет собой систему дифференциальных уравнений, решение которой легко реализуется на персональном компьютере

мь

Рь „I М ) 2к ( А - со%<рь } 2 Мь МР^р. (6)

Л

Л-ССЙ^

та-1 ИР,

к л: р к о л

Рт

ЛХ

Ч р 1 т

/• Т

М_ 1 Умь

34-1 34-1

Л-СОЗ«?^ 2 ^к

А - СО5<Р

V,

к яср

_5*-3 ,-

_ 12к д Ши-1 — ^ ^ .

У О =ш Рь_ р^ 2 у

^ ^ 4 Рт р '1-т„ 44 lмJ 1л-собр; РК0Л

4+1 34-1

^«»г, Рт Р ^ КА-соъср)

УРккр /Л7**

^ К О Л М^к X р

2 к к-\

Рп_

Рог

"1т-

54-3

к ■

Р,

Рог

(8)

В этих уравнениях М, р и Т - количество, давление и температура газа в цилиндре и коллекторе, Вц, Я, ш - константы, зависящие от физических свойств газа. Подстрочные символы "Ь", "ог" относятся к параметрам газа в цилиндре в момент открытия выпускного клапана и за турбиной. Средние параметры по показаниям инерционных приборов имеют подстрочный символ "т", полные параметры - "п".

Точность вычислений по этим формулам в значительной степени определяется точностью задаваемых значений рь и Ть - давления и температуры в момент открытия выпускного клапана. Они определялись из

выражения для температуры выпускных газов, приводимого в монографии Г.Ю.Степанова "Основы теории лопаточных машин , комбинированных и газотурбинных двигателей". Путем вариации значений цИклср/Ркол и рРтср/Рксл при заданной длине коллектора 1 определялась оптимальное отношение цРтср/Ргол . Оптимизация проводилась по параметру

при условии сохранения среднего давления перед турбиной неизменным. Однако полученное таким образом оптимальное значение диаметра выпускного коллектора может оказаться неоптимальным для двигателя в целом из-за неблагоприятного взаимного расположения характеристик компрессора, собственно дизеля и турбины. Для решения этой задачи требуется наличие характеристик компрессора и турбины, снятие которых возможно только на специальных стендах и нагрузочных характеристиках двигателя, укомплектованного агрегатом наддува, имеющим эти характеристики. При этом возникает проблема корректировки стендовых характеристик ТК на условия его работы в составе комбинированных ДВС. Критерием оптимальности в этом случае служит минимальный удельный расход топлива на заданном режиме при приемлемых параметрах теплонапряженности деталей ЦП Г.

В шестой главе приводятся экспериментальные материалы и результаты использования методики при доводке систем газотурбинного наддува двигателей 6 ЧН15/18 и ЧН13/14.

Исследования проводились на дизеле семейства ЧН15/18 с различными выпускными коллекторами и турбокомпрессорами и на вновь создаваемых двигателях семейства ЧН13/14. Использовались выпускные коллекторы, разделенные на две ветви с одинаковой геометрией в поперечном сечении с общим выпуском в один объем и турбокомпрессоры, отличающиеся как сопловыми аппаратами, так и конструкцией корпусов.

Экспериментальные установки были оборудованы измерительными приборами, позволяющими определить все параметры, необходимые для расчета характеристик импульсности. Индицирование давлений проводилось в выпускном коллекторе в районе первого цилиндра и перед турбиной с помощью тензодатчиков, наклеенных на кольцевую балку через плоскую мембрану с регистрацией электрического сигнала шлейфовым осциллографом Н115 через тензоусилитель УТ4-1 и магазин сопротивлений. Для регистрации электрического сигнала применялись шлейфы с рабочей частотой 300 Гц и наибольшим рабочим током 0,4 ма. Частотная характеристика шлейфов позволяла без частотных и фазовых искажений воспроизводить мгновенные значения давлений в коллекторе и перед турбиной, процесс записывался со скоростью 5 м/с на фотобумаге с химическим проявлением.

Характеристики компрессоров и турбин, используемые при доводке двигателей ЧН13/14, снимались на турбокомпрессорном стенде, разработанном и изготовленном под руководством автора. Нагрузочные и скоростные характеристики исследуемых и опытных двигателей снимались на стендах АлтГТУ (двигатель 6 ЧН15/18) и АО "Алтайдизсль" (двигатели 4 ЧН13/14 и 6 ЧН13/14) также при участии автора.

Логика доводки системы наддува двигателя заключается в следующем. После выбора параметров системы наддува подбирается турбокомпрессор и снимаются исходные характеристики компрессора и турбины (рис.6, 7). При совмещении характеристик компрессора с гидравлической характеристикой дизеля в координатах як =Г(Ог,р,пПр) последняя должна проходить через зону высоких КПД. Часто взаимное расположение гидравлической характеристики двигателя и зоны высоких КПД компрессора оказывается неблагоприятным. Тогда либо вносятся изменения в проточную часть компрессора, либо подбирается другой ТК с благоприятной характеристикой. Эта процедура является обычной и применяется на всех дизелестроительных заводах. Взаимное положение гидравлической характеристики дизеля и характеристик турбины обычно не анализируется. Однако здесь скрываются значительные резервы для улучшения технико-экономических показателей двигателя. Для этих целей характеристику турбины можно снимать, используя в качестве нагрузочного устройства компрессор. В данной работе были получены такие характеристики и совмещены с гидравлической характеристикой двигателя (рис.8)

Пт 1

в координатах ят= / -.В точках пересечения гидравлических

V Рт

характеристик дизеля и турбины обычно наблюдается несовпадение па-

п,„ _

раметра с замеренным на дизеле. По величине рассогласования этих

\ т

параметров определяется корректирующий коэффициент, который сопоставляется со значением Ки, полученным расчетом по описанной выше методике. Результаты таких опытов накапливаются и при втором и последующих шагах корректировок проточных частей используются без повторного применения модели импульса в выпускном коллекторе. Задача обычно сводится к тому, чтобы сдвинуть гидравлическую характеристику дизеля в область высоких КПД турбины.

Этот подход к насгройке турбокомпрессора был использован при доводке системы наддува двигателей АМЗ (Д-440, Д-442, Д-4601 и др.) наряду с обычным в инженерной практике перебором вариантов проточных частей. Но более тонкое понимание процессов, происходящих в газовоздушном тракте (ГВТ) двигателя позволяет найти более быстрый путь к оптимальным соотношениям геометрических размеров ГВТ.

Рис. 1. Развитие импульса по нагрузке при частоте вращения коленчатого вала n = idem (п = 1000 об/мин).

С

£>4 0,6

Рис.2. Разните импульса по нагрузке при часюгс вращения коленчатого вала n = idem (п = 1800 об/мин).

Сср} сасР 74.

Рис.3. Развитие импульса но частоте вращения коленчатого вала при предельной нагрузке (ограничение по tT).

0.8

Рис.4. Влияние нестационарности на адиабатическую скорость истечения из эквивалентного сопла.

-oo/f ■ з -zAoat

■ rV V

t. ~ ~ Re- -9,16 мг>д 'Ре -Д, 5Л7/7А

[г =j isJo | \

Рис.5. Коэффициент гидравлического трения пульсирующем течении.

при

тк, >с

/

/ t Л

/ /1 / 0/\ \ 356

/ 1 31. г

/ ~ у 7

2 ¿¿я» - 23 пе ""/с

2т

0,7

0.6 0.5

0.7 0.6 0,5

I тк I > - 7 Н

Я —о— ь ТКА -S5

vaz

пь ' о,7 о]а и. Со.

о— I I ТК*?-7Н

С ■^focxjJ

У7т I 110 12,5 I I

2.5

3.0

3 5

ит

Рис.7. Характеристики турбин турбокомпрессоров ТКР-7Н, и ТКР - 8,5С.

ят 1.8

/, 7 1.6 i.S

12

0,1

ПРш С

0,1

0.2.

Рис.6. Характеристики компрессоров ТКР - 7Н (D2.= 76мм, рь> 90°) и ТКР - 8,5С (D2. = 85мм, (32„ = для дизелей ЧН 13/14 (D - 440, D - 442, D - 460).

Г <13 <"»/>, с

и т /

Т7 — -г у г

/

'2, 5 // / >

1 & = 1730 .-4-40 11 /У . п = 115 О

3 Л > А- 44'.

7,5 Л - /300

Сг^Тт ,.4

2,5 3,0 3,5 4,ОрГ-!°

Рис.8. Совмещённые характеристики дизеля п турбины типа ТКР -7Н.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен цикл исследований характеристик импульсности газового потока в выпускных коллекторах двигателей типа ЧН 15/18 и ЧН13/14 с индицированием давлений в районе первого цилиндра и перед турбиной ТКР на различных нагрузочных и скоростных режимах при различных условиях на впуске и выпуске из двигателя.

2. Отлажена методика по обработке опытных данных, существенной частью которой явилась форма представления импульса в виде безразмерного отношения абсолютных давлений р/рг в функции от относительного времени t/Tm и в виде разложения в ряд Фурье. Введен обобщенный критерий импульсности 7tz и указана его связь с располагаемой энергией, рассчитанной по средним параметрам пульсирующего потока (параметрам, фиксируемым штатными измерительными приборами).

3. Установлены опытным путем закономерности изменения формы импульса и его обобщенной характеристики от нагрузки двигателя при различных частотах вращения коленчатого вала. Установлено, что с ростом частоты вращения п импульс "вырождается".

4. Получены зависимости, позволяющие оценить энергетическое преимущество пульсирующего потока по сравнению со стационарным, у которого такие же давления и температуры в контролируемом сечении, что и у осредненного по времени пульсирующего потока.

5. Произведена оценка влияния неустановившегося характера движения пульсирующего потока на его энергетические характеристики, выработан критерии такой оценки. Пульсирующий поток в выпускном коллекторе типичного двигателя во всем диапазоне возможных нагрузочных и скоростных режимов можно считать квазистационарным. Эффекты от нестационарности проявляются на высоких частотах вращения коленчатого вала. Их влияние становится заметным при числах Струхаля Sh=jtDTn/40cacp>0,045.

6. В нестационарных потоках по сравнению с квазистационарными импульс "сглаживается". Для двигателя 6 ЧН15/18, работающего на час-тоге вращения п=1800 об/мин, уменьшение амплитуды колебания в импульсе составляет ~3-5% от ее квазистационарного значения.

7. Потери на трение в выпускном коллекторе, работающего в пульсирующем потоке, в среднем увеличиваются по сравнению с потерями в стационарном потоке, имеется пик потерь, не совпадающий с пиком импульса. Отклонение величины потерь на трение от среднего значения за цикл зависит от частоты колебания. Максимальная величина этого отклонения имеет место при 4-0,5 в момент завершения свободного истечения рабочего тела из цилиндра двигателя.

8. При построении моделей импульсов в выпускных коллекторах ДВС применение квазистационарных схем течения правомерно, но на

форсированных по частоте вращения коленчатого вала режимах необходимо вводить поправки на нестационарность.

9. Представленная в работе математическая модель импульса может быть использована при проведении работы по оптимизации параметров системы наддува для оценки уровня колебаний газа перед турбиной ТК и для выбора рационального размера выпускного коллектора.

10. Представлена методика и излагаются результаты исследования по согласованию характеристик агрегата наддува и гидравлической характеристики дизеля (на примере двигателей Д-440 и Д-442) с учетом колебаний газа в выпускном коллекторе. Параметры колеблющегося потока определялись расчетом с использованием разработанной математической модели и контролировались экспериментом.

11. Установлена возможность форсирования двигателя 6 ЧН15/18 до 235-242 кВт при сохранении температуры газа перед турбиной не выше 823К и экономичности не ниже 224-228 г/кВт- ч за счет улучшения системы наддува, намечены пути ее улучшения.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

КЮренков В.Н. О надежности главных двигателей теплоходов типа БеломорсклесЮкономика.Организация и технология судоремонта: Краткие науч.сообщения/НТО Дальморниипроекта.-Владивосток,1972. -С.177-181.

2.Юренков В.Н. К вопросу о методике учета нестационарности при определении располагаемой энергии выхлопных газов судовых дизелей с турбонаддувом//Исслед. и соверш. быстроход. дизелей:Межвуз.сб./Под ред.В.К.Нечаева.-Барнаул,1978.-С. 147-153.

3.Нечаев Л.В.,Юренков В.Н.,Угрюмов С.А. Некоторые параметры импульсности потока выпускных газов транспортного дизеля с газотурбинным наддувом на различных режимах работы/ЛТовыш. эффек-тивн.работы двигателей, автомобилей, тракторов, строит, и дор. ма-шин:Межвуз.сб./Сиб.АДИ;Под ред. А.К. Гаврилова.-Омск,1979.-С.37-42.

4.Нечаев Л.В., Пятков В.П., Юренков В.Н. Исследование насосных потерь в быстроходном дизеле с газотурбинным наддувом при повышенных противодавлениях за турбиной и сопротивлениях перед компрессо-ром//Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и топлив:Тез.докл.Всесоюзн. научн,-техн. конф./МВТУ им.Н.Э.Баумана.-М.,1980.-С.69.

5.Нечаев Л.В., Юренков В.Н. Низкочастотная нестационарность и ее влияние на располагаемую энергию газа и работу центростремительной турбины агрегата наддува двигателя внутреннего сгорания // Нестационарные процессы в проточной части турбомашин: Тезлокл. Всесо-юзн.научн. семинара/ЛПИ им.М.И.Калинина.-Л.,1980.

-С. 19

6.Нечаев Л.В., Пятков В.П., Юренков В.Н. Влияние сопротивлений на впуске и выпуске на показатели газообмена четырехтактного двигателя с газотурбинным наддувом//Агрегаты наддува и их совмест.работа с дизелями:Материалы конф.-Челябинск, 1981.-С.26-42.Деп. в ЦНИИТ-ЭИгракторсельхозмаш,23.07.1981,№234.

7.Юренков В.Н. К анализу характера импульсности потока отработавших газов форсированных наддувом дизелей автотракторного ти-паУ/Повыш.надеж.электроснабж./Алт.гос.техн.ун-т.-Барнаул, 1985.-С.69-75.

8.Юренков В.Н. Методика расчета проточной части турбины мик-роГЭС//Горы и Человек: в поисках путей устойчивого разви-тия:Тез.докл.науч.-практ.конф./НИИ горного природопользования.-Барнаул, 1996.-С.260-261.

9.Юренков В.Н. Сопротивление каналов при пульсирующем течении газа//Исслед. и соверш. быстроход.дизелей: Межвуз.сб./АлтГТУ; под ред. Д.Д.Матиевского.-Барнаул,1996.-(в печати).

10.Юренков В.Н. Гидрогазодинамика.Часть 1.Свойства жидкостей и газов. Основные законы гидрогазодинамики: Учебное пособие /Алт.гос.техн.ун-т им.И.И.Ползунова.-Барнаул:Изд-во АлтГГУ,1995.-48с.

11.Юренков В.Н. Гидрогазодинамика. Часть 2. Колебания и волны в газовом потоке: Учеб.пособие/Алт.гос.техн.ун-т им.И.И.Ползунова,-Барнаул: Изд-во АлтГТУ,1996.-40с.