автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Методика создания типоразмерного ряда турбокомпрессоров для двигателей внутреннего сгорания различного назначения

На правфс рукописи

Каминский Роман Валерьевич

МЕТОДИКА СОЗДАНИЯ ТИПОРАЗМЕРНОГО РЯДА ТУРБОКОМПРЕССОРОВ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 НОЯ 2015

МОСКВА - 2015

005564896

005564896

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)»/Университет машиностроения на кафедре «Транспортпые газотурбинные двигатели» и АО «НПО «Турботехника».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Костюков Андрей Вениаминович

Официальные оппоненты: Лазарев Евгений Анатольевич

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Южно-УральскиП государственный

университет» (национальный исследовательский

университет) «ЮУрГУ» (НИУ),

профессор кафедры «Двигатели внутреннего сгорания»

Синявский Владимир Викторович,

кандидат технических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный

государственный технический унивсрслтет («МАДИ»),

доцент кафедры «Теплотехника и автотракторные

двигатели»

Ведущая организация: Государственный научный центр Российской Федерации

Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт «НАМИ» (Г1Щ РФ ФГУП «НАМИ»)

Защита диссертации состоится «24» декабря 2015 г. в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д212.140.01 при ФГБОУ ВО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) /Университет машиностроения/» по адресу: 107023, г. Москва, ул. Б. Семеновская, 38. МГМУ «МАМИ», ауд. Б-303

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке университета и на сайте www.mami.ru.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 107023, г.Москва, ул. Б. Семеновская, д.38, Университет Машиностроения, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.140.01.

Автореферат разослан «26» октября 2015г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.140.01

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. В условиях постоянно видоизменяющихся требований к изделиям и их компонентам и растущего в стране лицензирования их производства требуется адекватная локализация составляющих конечного продукта. На динамичном и противоречивом рынке силовых агрегатов весомую положительную роль должно сыграть предложение конкурентоспособной гаммы турбокомпрессоров (ТКР) к двигателям внутреннего сгорания (ДВС). В настоящее время практически 100% дизельных двигателей оснащены системой наддува, а тенденции развития бензиновых двигателей из соображений энергоэффективности предполагают уменьшение рабочего объема и расхода топлива при сохранении мощности, что также возможно только при применении наддува. В то же время, с развитием технического прогресса и появлением новых технологий назрела необходимость в переоценке существующих методик создания агрегатов наддува. В связи с развитием отечественных двигателей, а также постоянно ужесточающимся экологическим законодательством, при обязательном применении и изменении конфигураций ТКР в зависимости от изменения экологического класса двигателей, необходима методика, позволяющая оперативно решать вопросы создания агрегатов наддува. Поскольку все западные производители ТКР не публикуют свои методики и держат в секрете свое «ноу-хау», а инжиниринговые фирмы по разработке двигателей используют готовые решения, имея обширную базу данных, создание современной отечественной методики просто необходимо. Цель н задами диссертации. Целью диссертации является разработка и внедрение в производство комплексной инженерной методики создания полной гаммы агрегатов систем турбонаддува (ТН) ДВС различного назначения, включая автомобильные, тракторные, комбайновые, судовые, тепловозные и специальные, для эффективного удовлетворения потребностей динамичного рынка. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выполнить анализ российского и зарубежного опыта, включая методологии, по созданию и использованию систем наддува ДВС;

- разработать единый цикл проектирования семейства ТКР, их испытаний и подготовки производств;

- разработать и создать специализированные стенды для проведения исследований и испытаний ТКР на современном уровне с использованием новых методов регистрации параметров, обработки и интерпретации экспериментальных данных;

- апробировать разработанный цикл проектирования семейства ТКР и подтвердить его правильность для последующей подготовки серийного производства с использованием современных технологий и широкой, в том числе международной, кооперации. Объекты исследования. Методики создания систем ТН и сами системы ТН для двигателей различного назначения с последующей их реализацией в гамме типоразмеров от ТКР-40 до ТКР-200.

Методы исследования. Аналитические: расчеты и подбор схем ТН, элементов проточных частей ТКР для конкретных двигателей, в зависимости от их назначения и

требований к ним; экспериментальные: исследования и испытания на

специализированных стендах и двигателях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- при системном подходе создана инженерная методика разработки и постановки на производство ТКР для наддува двигателей с помощью масштабирования элементов лопаточных машин на основе широкого использования базы данных и экспериментальных зависимостей;

- определены диапазоны масштабирования элементов лопаточных машин при разбивке всей гаммы агрегатов наддува на три группы в зависимости от расхода воздуха или газа и даны коэффициенты моделирования по расходу и линейным размерам;

- созданы уникальные стенды для безмоторных испытаний и исследований агрегатов наддува с автоматической регистрацией всех необходимых параметров и обработкой экспериментальных данных с использованием разработанных для этой цели компьютерных программ, вплоть до построения и передачи характеристик компрессоров и турбин в графическом виде.

Практическая ценность состоит в том, что созданы, отлажены и внедрены в практику комплексные инженерные методики разработки и доводки конструкции агрегатов наддува, позволяющие оперативно разрабатывать и внедрять в производство высокоэффективные агрегаты наддува, обеспечивающие необходимые показатели двигателей в зависимости от их назначения.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в научно-производственном объединении «Турботехника» и используются при разработке и изготовлении ТКР, которые поставляются практически на все моторостроительные заводы страны.

Достоверность результатов. Достоверность исследований подтверждается высокой степенью сходимости результатов расчетных и экспериментальных исследований. Апробация работы. Результаты доложены на трех научных конференциях в МГМУ МАМИ, на трех Луканинских чтениях в ФГБОУ ВПО МАДИ, на научной конференции на Автополигоне НАМИ, на четырех научных конференциях по применению 1Т технологий в образовании, науке и производстве г. Протвино и на объединенном заседании кафедр ТГТД и АД МГМУ МАМИ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 40 статей, в том числе 12 в изданиях, рекомендованных ВАКом, и получено 8 патентов.

Личный вклад автора состоит в непосредственном и определяющем участии во всех этапах работ с 1996 года и личной разработке методик, как расчетных по подбору параметров лопаточных машин к проектируемым двигателям, так и по проектированию агрегатов системы ТН одного типоразмера для различных двигателей на базе единого подшипникового узла, с созданием современных стендов и в адаптации новейших методов прототипирования.

Структура n объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованной литературы. Общий объем работы - 120 страниц текста, 60 рисунков, 14 таблиц. Список литературы включает 90 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы и возможные методологические подходы к ее выполнению в связи с отсутствием до этого единой методики разработки и производства. Это приводило к распылению и так недостаточных ресурсов, существенному отставанию от мировых конкурентов и необходимости закупок образцов и даже серийных поставок для большинства моторных заводов, в том числе, имеющих собственное производство таких агрегатов. Это — чувствительные вопросы технологической безопасности.

В последние годы в мире налицо значительны достижения: с одной стороны - в точности расчетов, грамотности проектирования, тонкости и скорости многопараметрового регулирования, и с другой - в материаловедении, технологиях изготовления, охлаждения и смазки напряженных элементов конструкции.

ТН сейчас - один из главных столпов достижения таких показателей и удовлетворения экологических норм. Динамика мирового развития разновидностей ТН, производства и использования агрегатов - тому подтверждение.

Именно поэтому в данном исследовании поставлена задача анализа имеющегося опыта с последующей концентрацией усилий на методичном создании недостающих (или обновлении устаревших) компонент технологии решения задач в реальных условиях.

В первой главе проведен анализ российского и зарубежного опыта, включая методологии, по созданию и использованию систем наддува ДВС, в том числе, на КамАЗ, БЗА и ЧТЗ, на Украине (ДЗТ, Мелитополь) и анализ методик зарубежных фирм (Honeywell, Borg Warner Turbo Systems, Cummins Turbo Technology, AVL, FEV, IAV и других). Отечественная методика базируется на фундаментальных трудах по гидро- и газодинамике, в первую очередь, советских ученых, Б.С. Стечкина, A.C. Орлина, М.Г. Круглова, А.Э. Симеона, Г. Ю. Степанова, А. Е, Дейча. Методы создания, доводки и производства долгое время были достоянием ограниченного круга специалистов по соображениям безопасности технологий товаров двойного назначения и конкуренции.

Огромен вклад в развитие ТН зарубежных ученых, в том числе проф. Ф. Бенсона, В. Вудса, Г. Листа, А. Пишингера, М.Циннера, Г. Вошни и многих других. В нашей стране также были выполнены большие практические работы по созданию отечественных турбокомпрессоров и внедрению турбонаддува в автомобильной и тракторной промышленностях. Здесь свой вклад внесли такие ученые и конструкторы, как Б.П. Байков, П.В.Иванов, P.C. Дейч, Ю.Б. Моргулис, Г.М. Поветкин, В.Н. Каминский, А.Б. Азбель, И.А. Коваль, Г.М. Поляковский, Ю.П. Волошин, Н.С. Ханин, П.Л. Озимов, Э.В. Аболтин, Б.Ф. Лямцев, В.Е. Виняр, А.Н. Шерстюк, Д.А. Дехович, и многие другие. К настоящему времени этими школами и зарубежными компаниями, такими как AVL, FEV, Ricardo и др., техническими университетами Граца, Ахена, Берлина, Штутгарта и

др., проведено большое количество разработок, что позволило создать работоспособные и высокоэффективные системы ТН и тиражировать их миллионами экземпляров для эксплуатации во всем мире. Это позволило сформулировать задачи по инжинирингу ТКР в России и проработать нетрадиционные перспективные решения. По результатам анализа методик приняты конкретные задачи исследования.

Аналитические исследования российского и международного опыта по разработке, оценке, доводке и производству систем ТН в зависимости от области применения двигателей, их реального использования в мире, практические исследования образцов и их элементов позволили обновить видение положительных и отрицательных сторон различных подходов, подтвердив при этом, что зарубежные современные методики и средства проектирования существенно отличаются от известных методик, где применяются сложные расчеты рабочего процесса двигателя, профилирование проточных частей, расчет ходовой части и устаревшие методы прототипирования, где при изготовлении в основном использовались серийные технологии.

Во второй главе излагается комплексная методика, позволяющая оперативно решать задачи создания агрегатов наддува для двигателей различного назначения (рис.1).

На первом этапе анализируется техническое задание на двигатель. С помощью программы «Параметры наддува», реализованной в среде Microsoft Excel, проводится тепловой расчет двигателя.

ТЗ на двигатель.

Расчет параметров

______

f, il

CFD расчет it оптимизация параметре« ступеней.

; Моделирование ступеней

Разрэботка'котструкции. CAD модель системы. 4

..........Опытный образец...............

.............................§.......................................

Безмоторные испытания

БАЗАДАННЫХ

•V

¥

Испытания на двигателе Сертификация

I Организация серийного : производства

Рис. 1. Блок-схема методики создания турбокомпрессоров

< Подготовка \ данных у/

Исходные данные:

N/11«ш. Мща/пу. (У,...

* Постоянные параметры:

р0. Тр. Ар„. ч„ а. Я,.

св-ва топливаг^._____

| к = 1,4, Г;=34Ж, =0,92 |

Вычисление: Р.". , Т'„ Т'в,рм, р,,г]м, к1Р

Уточнение: «0+ 0= *(/) г; о+о- г; (/) 1,0* О - п . (')

вычисление:

р1,п., е.. е., N.

Вычисление: м(со,\м(н,о\ И(оД ,«(Л(,)

^со.Ы^оМоДК",)

«■•/'«г.К.г.С^

Вычисление:

к,(ТГ), сРОГ(ТТ), к,(Гг), сРОТ(Г2),

I

Уточнение:

Гг (/)= Гг; Г, И =г2 ;*,(/) = *,.

7Н/+1) = г,«

Гг(/+1) = Тг М

кТ (< + !) = 'М

Вычисление:

Сохранение

Рис. 2. Блок - схема программы «Параметры наддува дизеля»

Блок - схема программы «Параметры наддува дизеля» представлена на рис. 2. В программе реализовано

упрощенное моделирование цикла ДВС, позволяющее оценить расход воздуха и степень наддува, необходимые для достижения заданных параметров двигателя.

На первом этапе расчёта, на основании имеющихся

технических данных двигателя и информации, приведенной в технической литературе или эмпирических формул,

полученных на основании статистического анализа

экспериментальных данных различных двигателей,

формируется внешняя скоростная характеристика двигателя.

Минимально необходимая

информация для выполнения первого этапа расчёта — протекание крутящего момента и удельного эффективного расхода топлива двигателя по ВСХ.

На втором этапе по заданным параметрам ВСХ в расчетных точках последовательно

решаются системы уравнений для определения необходимых

параметров компрессора. Для определения необходимых

параметров турбины вводится итерационный процесс, за критерий сходимости

принимается мощностной баланс ТКР, а именно: равенство мощностей компрессора и

турбины (Л'д- = N-1-).

В результате определяются параметры наддува, необходимые для конкретного двигателя.

Система уравнений для условий на выходе двигателя

Тт =■

1

1 +

ш

<xl

Gor = gS + gT

Nx = Nr

= 1--

N,

Gor Пп

к, -1

г RcrTr

: El. Pi

r, -ту

-lF

*r)

Va

Тт - температура газа перед турбиной, рТ - давление газа перед турбиной, Gor - расход газа через турбину,

Р2 - давление газа после турбины, дцг- относительная теплоотдача в стенки камеры сгорания и выхлопной коллектор,

сРВ - теплоёмкость воздуха при постоянном давлении, А; - показатель адиабаты расширения в турбине,

Яог - газовая постоянная продуктов сгорания,

срог - теплоёмкость отработавших газов при постоянном давлении, ¡лсрог, Мсуог - молярная теплоёмкость отработавших газов при постоянном давлении и постоянном объёме, цсу„ г, - молярная теплоёмкость компонентов отработавших газов при постоянном объёме и их относительное объёмное содержание.

Система уравнений для условий на входе в двигатель

Ps

УД

ЦуПЛчни Pk=PS+ АРот _Рк

/т,- = -

Pi

( Х'1 1 1

1 + п/ -1

Ч. ) ЧКАД _

Ръ - давление воздуха после ОНВ,

Рк - давление воздуха после компрессора,

кк - степень повышения давления в компрессоре,

Тх - температура воздуха после ОНВ,

Тк - температура воздуха после компрессора.

По результатам расчета проводится выбор характеристик ТКР и уточнение исходных данных.

Протекание зависимости коэффициента избытка воздуха по внешней скоростной характеристике дизельного двигателя с нерегулируемым ТКР таково, что он уменьшается по мере снижения частоты вращения коленчатого вала. Поэтому влияние его на экономичность двигателя и качество отработавших газов становится значительным, и к выбору параметров наддува при низких частотах вращения предъявляются повышенные требования. Исходя из этого расчет необходимого давления наддува обычно начинается с режима максимального крутящего момента, для которого задается минимально допустимое значение коэффициента избытка воздуха. По результатам расчета, исходя из ограничения максимальной температуры газа перед турбиной 700 °С, уточняется коэффициент избытка воздуха а. Индикаторный КПД уточняется из обеспечения заданного расхода топлива. При отсутствии заданного

расхода топлива по ВСХ, используя зависимость —, уточняем индикаторный КПД г],

а

двигателя. Выбор эффективных параметров ТКР многократно уточняется в процессе итерации, исходя из опытных универсальных характеристик ТКР. Определяются параметры наддува на режиме максимального крутящего момента и выбираются универсальные характеристики при заданной степени повышения давления, рассчитываются параметры наддува по ВСХ, принимая закон изменения исходных параметров от частоты оборотов коленчатого вала и с учетом выбранных универсальных характеристик.

Основой данной методики является наличие у разработчиков базы данных (БД). В процессе создания базы данных используется отечественный и мировой опыт создания многочисленных систем наддува в мире. Это - некоторая совокупность данных по теме в памяти компьютера, которая в соответствии с определёнными правилами и процедурами удобно используется для удовлетворения информационных потребностей разработчиков. БД условно разделена по тематическому принципу на следующие разделы:

1. Аналитические исследования мирового и отечественного опыта по созданию систем ТН;

2. Параметры и конструкции ДВС;

3. Патенты ДВС и систем ТН;

4. Методы и результаты расчетов;

5. Методы испытаний, доводки и контроля;

6. Прочностные исследования и исследования ходовой части ТКР;

7. Конструкции систем наддува и элементов регулирования;

8. Реальные экспериментальные характеристики ТКР;

9. Реальные экспериментальные характеристики ДВС;

10. Технология производства систем ТН.

■».о 3.8 . 3.6

•J.4

¿¡Я-

¡3.01

32,85

¡2.6.

"2.0 1.81.6-

uKj » 550 м/с

Иц2 - 400.м/с " U¡Q = 350 м/с ■ "ü„ = 300 м/с : ц<2 " Í5Ó м/с

Эта БД позволяет постоянно сравнивать по объективным критериям в процессе поиска решения варианты, предлагаемые заказчику, с уже имеющимися и поэтому каждый значимый этап работы по представленной методике включает обращение к БД для различных действий (отбор необходимых констант и других параметров, сравнение полученных данных с имеющимися, использование уже полученных эффективных

решений и применение их в новых проектах, сохранение какой-то части и т.д.).

В рамках данной методики компрессорная и турбинная ступень создаются с

использованием известных

характеристик из БД и/или метода масштабирования. При отсутствии в БД требуемой характеристики компрессорной и/или турбинной ступени, используя одну опытную характеристику, путем

масштабирования по

приведенным расходам воздуха о,пр и газа ог„р с сохранением параметров по адиабатическому и эффективному КПД, можно создать бесконечное множество характеристик, изменяя коэффициент масштабирования. В качестве модельного выбирается существующий компрессор и турбина из БД с известными характеристиками, которые удовлетворяют условиям согласования по параметрам степени сжатия (л к = Р Й/Р где Р К1 - полное давление на входе в компрессор, Р*к2 -полное давление на выходе из компрессора) и коэффициенту полезного действия г|кад (КПД) и параметрам степени расширения (я^Р то/РГ2, где Р*т0 - полное давление на входе в турбину, Рт2 - статическое давление на выходе из турбины) и КПД. При этом геометрия новых компрессора и турбины моделируется по расходу относительно модельного в большую или меньшую сторону.

■0.8 С

>5

S

•0.7 S

g

•0.6 M (О

X

-0.5 <

-г-

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 Приведенный расход воздуха GB пр , кг/с (1к, пр = 20°С, рК1 пр = 760 мм рт.ст.)

I-•-■ - Стандартные условия (1=25 "С, Р=0,101325 МПа)

.-Ф—* - "Горячие" условия (1=55 "С, Р=0,101325 МПа)

I-и-К - "Холодные" условия (t=-50 °С, Р=0,101325 МПа)

Рис. 3. Характеристика моделированного компрессора с расходными характеристиками двигателя

Коэффициент моделирования выбирается с учетом обеспечения

достаточных запасов

устойчивой работы

компрессора и прохождения линии совместной работы двигателя и ТКР в области максимальных КПД

компрессора и турбины.

Величина коэффициента моделирования рабочего колеса компрессора по расходу воздуха равна т=0пр.н/0Пр.и, рабочего колеса турбины по расходу газа равна

т=0гпрн/0гпр.м, по линейным размерам - / = у[т . На смоделированные характеристики компрессора и турбины накладывается

расходная характеристика двигателя и оценивается возможность применения

данного решения к

конкретному двигателю на всех режимах его работы (Рис. 3., Рис. 4).

Определение диапазонов

0,90,8-^ 0,7'

Э* 0,60.5-

£ 0.7-

£

¿Ш5ЁЙ

УГ

щ

\ь

т"» :

^Г3*^"*--~~~

""'»•'»«с

. -Р.- " 35ti.ii/c;'.......... . .... и . = АГЛ ..(V .......

>"«.2пр = 450 м'с; .-и^^ОО^Г;

© д - -1-;—^

Г.......;.......

[11.1.......1.........

г : : :

24 I

■7 Е

< I

Степень понижения даьлешж дт = р11)7ртг

- Характеристика моделированной турбины

- Расходная характеристика двигателя

Рис. 4. Характеристика моделированной турбины с расходной характеристикой двигателя

типоразмеров ТКР, внутри которых возможно масштабирование, проводилось на основе безразмерных критериев теории подобия и экспериментальных данных. Критерии подобия процессов в лопаточных машинах хорошо известны. Это показатель адиабаты, критерий Прандтля, критерий Фруда, число Маха, критерий Рейнольдса (Яе) и х= и/с.

При соблюдении этих критериев, а также геометрического подобия процессы в лопаточных машинах на реальном и модельном режимах будут подобны.

При рассмотрении течения газа можно пренебречь действием сил земного притяжения (критерием Фруда), показателем адиабаты и критерием Прандтля. Зона автомодельности по Яе в лопаточных машинах лежит в диапазоне Яеавх > 5 х 105. Значения масксимальных величин чисел Яе лопаточных машин турбокомпрессоров ТКР-40, 50, 60, 100, 200 находятся в диапазоне 3,5-17,3 (таблица 1) и, соответственно, не во всех ТКР из приведенной линейки имеет место автомодельность по критерию Яе.

Таблица 1.

Максимальные величины чисел Рейнольдса в лопаточных машинах ТКР.

№ п/п Наименование ТКР (¡2мм й кг 1с Ке,1 X 105

1 ТКР-40 40 0,01-0,1 3,47

2 ТКР-50 50 0,03-0,14 4,34

3 ТКР-60 60 0,06 -0,28 5,21

4 ТКР-100 100 0,1-0,6 8,69

5 ТКР-200 200 0,8 - 2.4 17,35

Следует отметить, что автомодельность по Ие в одном сечении колеса не гарантирует его наличия в других местах проточной части лопаточной машины. В целом, как показывает практика проектирования ТКР, строгое выполнение условия

динамического подобия (Яе, М, к) невозможно. Поэтому для уточнения и определения диапазонов

масштабирования были сопоставлены и проанализированы различные варианты смоделированных и экспериментальных характеристик компрессора и турбины ТКР с диаметрами рабочих колес от 50мм до 200мм. В результате анализа было определено сохранение подобия с достаточно высокой точностью в диапазонах типоразмеров ТКР-

50...ТКР-70 и ТКР-80...ТКР-120, а в диапазоне ТКР-130...ТКР-200 имеет место автомодельность по критерию Яе. В качестве примера приводятся характеристики смоделированных

компрессора и турбины ТКР-70.07 полученные в результате

масштабирования известного

компрессора и турбины ТКР-50 (Рис. 5, Рис.6.), где видно близкое совпадение расчетной и экспериментальной характеристики. Моделирование

ступеней внутри диапазона ТКР-80...ТКР-120 и сравнение расчета с экспериментом приводятся в четвертой главе.

-.3.0- Г 1,

§2.2- : I

0.00 0,04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0..12 Прнкдсимый рвсхоа кялуч» С> пр. «г/с пр " 2ОТ, рк, ^ " 7ь0 ык рг.ст.)

- - Экспериментальные характеристики компрессора ТКР 70

- • Характеристики моделнрованого компрессора

Рис. 5. Экспериментальная и моделированная характеристики компрессора ТКР 70.07

Я-РИ!^--)"-»

foe-H'ir;-45 и в/сг:-

» 0.6!

С

4.

£о,бо-

з.о î

2.9 1 •2,8

Z7 Ъ

2,6 "t

,2-5 i

•2,4 8

■2.3 |

■2,2 »

■2.1 'i

■2.0 ï

■1.9 §

Используя вышеописанный подход моделирования

компрессора и турбины и программно-вычислительный комплекс Pro/ENGINEER Wildfire 3.0, строится трехмерная модель проточной части компрессорной и турбинной ступени.

Следующим этапом является разработка CAD модели (трехмерная электронная модель) ТКР. Используя описанную выше методику расчета и

моделирования, получаем

геометрические размеры ступеней и в результате выбирается типоразмер ТКР. Основным параметром типоразмера является диаметр колеса компрессора на выходе с шагом обозначений 10 мм. Подшипниковый узел внутри каждого типоразмера доведен и унифицирован и поэтому согласно методике при разработке CAD модели ТКР ходовая часть и подшипниковый узел

принимаются стандартными и берутся из БД. Затем проектируются компрессорная и турбинная ступень с геометрическими параметрами, полученными в результате моделирования. Исходя из требований проектных характеристик ДВС, выбирается способ регулирования и количество ступеней системы наддува. Важным моментом при разработке CAD модели является компоновка системы на двигателе, и если подшипниковый узел и геометрия ступеней могут быть зачастую унифицированы, то корпуса компрессора и турбины, как правило, уникальны и проектируются под конкретный двигатель, исходя из его компоновки в моторном отсеке. В современных многоступенчатых системах, где газовые и воздушные каналы имеют сложную пространственную конструкцию, для оптимизации, проверки и уточнения параметров течения газов может понадобиться дополнительный CFD расчет системы и уточнение геометрических параметров ступеней ТКР.

После разработки CAD модели и выпуска конструкторской документации требуется изготовление опытных образцов. Современные технологии позволяют создавать

1,2 1,4 1.6 1.8 2.0 2.2 2,4 2,6 2.8 Степень понижения дявленкя ^ _ р^'.'р^

- Экспериментальные характеристики турбины ТКР 70.07.01, tTO~650 "С

- Характеристики моделирован ной турбины

Рис. 6. Экспериментальная и моделированная характеристики турбины ТКР 70.07

опытные образцы ТКР методом прототипирования, где применяются современные аддитивные технологии для единичного производства конкретных деталей. Колесо компрессора может изготавливаться на пятикоординатном обрабатывающем центре, а модель колеса турбины, как и корпусные детали ТКР, выращиваться в 3D принтере и затем отливаться в единичном экземпляре. Для проверки характеристик и принятия решения о запуске в производство изготовленный опытный образец ТКР необходимо испытать на специальном безмоторном стенде, при необходимости скорректировать конструкцию и затем провести испытания на двигателе.

В третьей главе приводятся результаты создания безмоторного стенда для исследовательских испытаний систем наддува, излагается методика проведения экспериментов. Исследование ТКР проводится на специальном стенде контрольных и исследовательских испытаний СКИИТ №4, (Рис.7), разработанном и изготовленном в НПО «Турботехника». Стенд состоит из силовой (монтажной) части, системы автоматизированного управления, контроля и измерения параметров (САУКИП), комплекса систем подготовки и транспортирования технологических сред.

Испытания возможны до непрерывных расходов воздуха в диапазоне до 3,0 кг/с при давлении подачи до 0,5 МПа. Стенд предназначен для испытаний ТКР с диаметром колеса компрессора до 300 мм. Давление масла, подводимого к ТКР - до 1.0 МПа, температура масла 70... 100°С.

Топливная система

обеспечивает топливом

форсунки камеры сгорания с расходом до 0,125 кг/с. Рециркулирующая жидкость отводит (при использовании системы автоматики и средств измерения параметров) избыток тепла от корпуса ТКР с расходом до 300 л/мин.

В камере сгорания генерируется газ с температурой до 1000°С и давлением до 0.5 МПа, обеспечивающий работу турбины. Пусковой воспламенитель обеспечивает запуск камеры.

Пневматическая система подает осушенный и очищенный управляющий воздух на позиционеры и пневмораспределители пневмоприводов поворотных заслонок. Система управления стендом позволяет регулировать соотношение, направление и расход воздуха. Вся информация, регистрируемая и управляющая, через линию связи завязана в комплекс.

Рис.7. СКИИТ№4

Принцип работы стенда следующий: сжатый воздух из компрессорной станции через ресивер по трубопроводу поступает на главный распределитель воздуха (ГРВ), где, в зависимости от задачи, выбирается схема и количество подаваемого к камере сгорания (КС) магистрального воздуха. Рабочий газ, образующийся от сгорания топлива в поступающем под давлением в камеру сгорания сжатом воздухе с заданными характеристиками и свойствами, подается на вход турбинной ступени испытываемого ТКР. Вследствие этого вал ротора начинает вращаться и через колесо компрессора включает в работу компрессорную ступень. Атмосферный воздух, подведенный к компрессорной ступени, проходя через нее, сжимается, приобретая следственные свойства, значение которых и регистрируется приборами. Значения величин других, полученных при проведении испытаний параметров ТКР так же регистрируются и сохраняются для последующей обработки и анализа. Отработавший газ отводится за границы стенда, а сжатый воздух из компрессорной ступени поступает на ГРВ и, в зависимости от целей, отводится в атмосферу или используется для подачи в КС. Все измеряемые параметры сохраняются и выводятся на экран панели управления (Рис.8).

|)КЛИ»3|%

¡ООООГ

дЛ в§ш)]

-ШМИ ЖмШ

Тв*М[»1ура к Ос«*

0003

Рис. 8. Рабочий экран панели управления СКИИТ.

Характеристики ТКР определяются при ряде постоянных значений окружной скорости на наружном диаметре лопаток колеса компрессора, приведенной к нормальным условиям, начиная с режима максимального расхода воздуха в сторону его уменьшения. При каждом таком значении окружной скорости при установившемся режиме работы ТКР измеряются параметры работы ТКР (не менее чем на шести режимах), приблизительно равномерно расположенных по расходу воздуха.

Допускается отклонение частоты вращения ротора от заданного значения в процессе измерения параметров не более 100 мин Характеристики рассчитываются по абсолютным давлениям и температурам.

В результате испытаний характеристики ТКР представляются в виде графических зависимостей:

- степени повышения давления воздуха и адиабатического КПД компрессора от приведенного расхода воздуха через компрессор и приведенной окружной скорости на наружном диаметре колеса или частоты вращения ротора;

- эффективного КПД, приведение го расхода газа через турбину и пропускной способности турбины от степени уменьшения давления газа в турбине. По результатам испытаний оформляется и заносится в базу данных отчет, содержащий сведения об объекте, методе, средствах, условиях и результатах испытаний и заключение о соответствии параметров испытанного ТКР техническим требованиям.

В четвертой главе приводятся результаты практического применения разработанной методики при создании системы наддува на примере перспективного двигателя ЯМЗ-780.

Согласно техническому заданию требовалось изготовить и поставить систему двухступенчатого наддува для двигателя ЯМЗ-780. Выполнены расчеты по согласованию ТКР и двигателя в программе «Параметры наддува» и получены параметры, которые требуется обеспечить. По данным расчета выбраны подходящие по характеристикам компрессор и турбина ТКР высокого давления, производимые в НПО «Турботехника». Задача заключалась в определении геометрии компрессора и турбины ТКР низкого давления (НД), а также характеристик его узлов, обеспечивающих параметры

согласования ТКР НД с двигателем. На первом этапе выбирается геометрия и определяется характеристика

компрессора. В качестве модельного выбирается существующий компрессор ТКР80.15.13А (число лопаток 2=14(7)) с известными характеристиками, которые удовлетворяют условиям согласования по параметрам степени сжатия (л*, = Р к2^Р к1> где Р «1 — полное давление на входе в компрессор, Р л ~ полное давление на выходе из компрессора) и коэффициенту полезного действия (КПД). Коэффициент моделирования выбирался с учетом обеспечения

Рис. 9. Эскиз меридионального сечения проточной части компрессора ТКР НД двигателя ЯМЗ-780

достаточных запасов устойчивой работы компрессора и прохождения линии совместной работы двигателя и ТКР в области максимальных КПД компрессора. Величина коэффициента моделирования рабочего колеса по расходу равна т=0Пр,ЛЗпр.м=0.91/0.319=2.85, по линейным размерам 1=^т=1.6882. Эскиз меридионального сечения проточной части компрессора ТКР НД двигателя ЯМЗ-780 с основными геометрическими размерами показан на Рис. 9. При согласовании габаритно-присоединительных размеров ТКР изменена форма сечений улитки и координаты положения патрубка компрессора, площадь выходного сечения улитки зажата на 32%, закон распределения площадей улитки по углу развертки сохранен. Оправдались предположения, что эти доработки не приведут к существенным изменениям протекания характеристик компрессора, поэтому характеристики моделированного компрессора по расходу останутся неизменными.

Пользуясь тем же подходом, что и для компрессора, в качестве модельного варианта была выбрана турбина ТКР-90А с площадью на входе в улитку Рт0=19 см2 (число лопаток г=10) с известными характеристиками, которые удовлетворяют условиям согласования по степени расширения (ТГТ=Р*Т</РТ2, где Р ,о - полное давление на входе в турбину, Рт2 - статическое давление на выходе из турбины) и КПД. При этом геометрия новой турбины моделировалась в большую сторону относительно модельной. Коэффициент моделирования выбирался из условия обеспечения компоновочных и конструктивных решений. Величина коэффициента моделирования по расходу равна т=Опр „/0пр.м=2.07, по линейным размерам 1=\'т=1.44. При этом величина расхода через турбину получилась несколько выше, чем требуется по условиям согласования ТКР с двигателем. Эскиз меридионального сечения проточной части турбины ТКР НД двигателя ЯМЗ-780 с основными

геометрическими размерами показан на рис.Ю.

Далее на смоделированные характеристики компрессора и турбины накладывалась расходная характеристика двигателя и проводился анализ применения данного решения к двигателю. В результате анализа характеристик ТКР получено, что моделируемая компрессорная и турбинная ступени удовлетворительно согласуются с расходными характеристиками

двигателя на всех режимах работы

Рис.10. Эскиз меридионального сечения проточной части компрессора ТКР НД двигателя ЯМЗ-780

двигателя. По полученным геометрическим параметрам, используя методы прототипирования и унифицированный подшипниковый узел ТКР-120, в НПО «Турботехника», был изготовлен опытный образец ТКР 120.03.02А. Безмоторные испытания проводились на СКИИТ №4. По результатам испытаний построены экспериментальные характеристики компрессора и турбины.

С целью подтверждения характеристик моделированного компрессора и турбины и подтверждения достоверности разработанной методики в программной среде Mentor Graphics FloEFD Creo был выполнен трехмерный

газодинамический расчет. Расчет проводился в полной постановке, то есть все лопатки рабочего колеса включались в область сеточного разбиения. Для моделирования течения в турбине и компрессоре использовались уравнения Навье-Стокса,

замкнутые моделью

турбулентности Shear Stress Transport SST (также известна как модель Ф. Ментера). Модель SST включает в себя классическую модель k-w и конвертированную в неё модель k-s. В связи с этим модель SST эффективно сочетает устойчивость и точность стандартной к-со модели в пристеночных областях и к-е модели на удалении от стенки. Объединение к-со модели и преобразованной к-Е модели

0,0 0,1 0,2 0J 0,4 0,5 0.6 0.7 0.8 0,9 1.0 1.1 1.2 Приведенный расход втдуха G, пр , кг/с (tt Пр - 2СГС. р,, Пр - 760 ы

[ рт ст.)

- - Экспериментальные характеристики компрессора ТКР 120 03 02А №180003

- .* Характеристик» ыоделированоп) компрессора

к - Результаты трехмерного газодинамического расчета ■ - Расходная характеристика двигателя ЯМЗ-780

Рис. II. Расчетные и экспериментальные характеристики компрессора ТКР НД для двигателя ЯМЗ-780

осуществляется в 88Т с помощью специальной функции, принимающей в пристеночной области значение равное единице, активизируя стандартную к-со модель, а на удалении от стенки - значение равное нулю, активизируя преобразованную к-е модель. Многочисленные сопоставления различных моделей турбулентности на широком классе задач внешней и внутренней аэродинамики в большинстве случаев показывают

превосходство ЭьТ модели. На основании вышеизложенного для расчета течения в проточных частях была выбрана модель Ментера ЭЭТ.

1.0 1.1 1.4 1.6 1.Я 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 Степень поиыженне изолент "т - Рти"'^,

- - 'Знсперпментмы.ие чрылерпстнкп турбины ТКР-120 О] ОМ И» 1ЯОООЗ. [„-ИЛТ

—--— - Характеристик мапслмроминЫЗ турбины

X-К - Ретульпты тре.мернотогатолинеынчеогоптрисчеп

■-* ■ Рпсходиля таре ктериегаи дкнптеле ЯШ. 780

Рис. 12. Расчетные и экспериментальные характеристики турбины ТКР НД для двигателя ЯМЗ-780

"00 1100 Н» !ЯЮ П00 10«» 2160 2.->(№ П. мин'1

Рис. 13. Внешняя скоростная характеристика двигателя ЯМЗ-780

Сопоставление смоделированных и экспериментальных характеристик ТКР 120.03.02А, а также результатов трехмерного расчета компрессора (Рис.11.) и турбины (Рис.12) показало удовлетворительное совпадение (не более 5% расхождения)

экспериментальных и расчетных параметров. После проведения безмоторных испытаний

двухступенчатая система наддува с ТКР 120.03.02А в качестве ступени низкого давления была отправлена на ОАО «Автодизель» для проведения испытаний на двигателе на моторных стендах в компании АУЬ (Австрия) и ОАО «Автодизель» (г. Ярославль) (Рис. 14). Результаты моторных испытаний подтвердили соответствие двигателя

-------------------------------ЯМЗ-780 в данной комплектации

требованиям ТЗ и ТУ (Рис 13).

Рис. 14. Двигатель ЯМЗ-780 на стенде ОАО «Автодизель»

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнен анализ российского и зарубежного опыта по созданию и использованию систем наддува ДВС. Результаты анализа показали целесообразность создания современной методики оперативной разработки систем наддува с учетом методологических аспектов их внедрёния в производство.

2. Разработана комплексная оригинальная инженерная методика, позволяющая в сжатые сроки создать и поставить на производство системы наддува для двигателей различного назначения, включающая:

- методику расчета параметров наддува;

- методику моделирования ступеней ТКР методом масштабирования;

- определение диапазона типоразмеров ТКР, подлежащих масштабированию;

- методику проведения безмоторных испытаний.

3. Определены диапазоны масштабирования при моделировании компрессора и турбины. Весь модельный ряд ТКР с диаметрами рабочих колес от 50 мм до 200 мм можно разбить на три диапазона масштабирования, обеспечивающих достаточно высокую точность при моделировании. 1-й диапазон: ТКР-50...ТКР-70, 2-й диапазон: ТКР-80...ТКР-120, 3-й диапазон ТКР-130...ТКР-200.

4. Разработаны и изготовлены при участии автора оригинальные исследовательские безмоторные стенды, которые являются высокоэффективным инструментом для оперативного решения задач в процессе создания систем наддува и их агрегатов.

5. Выполнена системная (комплексная) апробация предложенной методики применительно к двигателю ЯМЗ-780. Проведены расчеты параметров наддува, выполнено моделирование компрессорной и турбинной ступеней, разработана CAD модель системы и изготовлены экспериментальные образцы ТКР 120.03.02А. Проведенные безмоторные испытания и их анализ подтвердили выполнение условия согласования компрессора и турбины с параметрами двигателя ЯМЗ-780. С целью дополнительного подтверждения правомерности предложенной методики в программной среде Mentor Graphics FloEFD Creo проведен трехмерный газодинамический расчет. Сравнение характеристик компрессора и турбины для экспериментальных образцов ТКР показало удовлетворительное совпадение опытных и расчетных параметров, которые оказались практически идентичными с результатами трехмерного газодинамического расчета. По результатам моторных испытаний установлено, что двигатель ЯМЗ-780, оснащенный экспериментальными образцами ТКР, соответствует требованиям ТЗ и ТУ, и в настоящее время готовится для проведения сертификации.

6. По результатам исследования в целом можно заключить, что использование предложенной инженерной методики разработки, изготовления, испытаний ТКР и методологии ее внедрения в производство, как правило, исключают необходимость в проведении сложных и трудоемких трехмерных газодинамических расчетов, что существенно сокращает временные и финансовые затраты при создании новых систем газотурбинного наддува.

7. Предложенная методика и методология ее применения при постановке на производство не уступают по уровню применяемым на передовых зарубежных фирмах.

8. Результаты диссертационного исследования используются в НПО «Турботехника» при создании и постановке на производство широкой гаммы типоразмерного ряда турбокомпрессоров с диаметрами рабочих колес от 40 мм до 200 мм, обеспечивающей практически все выпускаемые и разрабатываемые отечественные двигатели.

Основные положения диссертации отражены в 40 печатных работах, в том числе в 12 публикациях в изданиях рекомендованных ВАК РФ:

1. Григоров И.Н., Каминский В.Н., Каминский Р.В., Сибиряков C.B., Лазарев A.B., Костюков Е.А. Разработка турбокомпрессора низкого давления с осевой турбиной для системы двухступенчатого наддува // Известия МГТУ МАМИ. - М.: МГТУ «МАМИ». 2014. № 4 (22). Т.1 - С. 11-13.

2. Ковальцов И.В., Каминский Р.В., Каминский В.Н., Сибиряков C.B., Корнеев С.А., Зайцев О.Г. Стабилизация температуры газа и оборотов ротора на стенде контрольно-исследовательских испытаний турбокомпрессоров средствами автоматизации // Известия МГТУ МАМИ. - М.: МГТУ «МАМИ». 2014. № 4 (22). Т.1 - С. 32-35.

3. Лазарев A.B., Каминский В.Н., Каминский Р.В., Сибиряков C.B., Григоров И.Н., Костюков Е.А. Результаты разработки регулируемого турбоэлектрокомпрессора // Известия МГТУ МАМИ. - М.: МГТУ «МАМИ». 2014. № 4 (22). Т.1 - С. 47-50.

4. Каминский Р.В. Разработка систем наддува для ДВС различного назначения // Известия МГТУ МАМИ. - М.: МГТУ «МАМИ», 2014. № 4 (22). Т.1 С. 22-26 (входит в перечень ВАК).

5. Григоров И.Н., Каминский Р.В., Сибиряков C.B., Трофимович И.В. Применение программного комплекса FloEFD для численного исследования характеристик турбокомпрессора // Известия МГТУ МАМИ. - М.: МГТУ «МАМИ». 2013. № 2 (16). Т.1 - С. 154-157.

6. Каминский Р.В., Ковальцов И.В., Корнеев С.А. Программное и аппаратное обеспечение системы автоматизированного контроля параметров турбокомпрессоров // Известия МГТУ МАМИ. - М.: МГТУ «МАМИ». 2013. № 2 (16). Т.1-С. 163-167.

7. Каминский В.Н., Лазарев A.B., Каминский Р.В., Сибиряков C.B. Турбоэлектрокомпрессор: возможности, конструкция и перспективы// Известия МГТУ МАМИ. - М.: МГТУ «МАМИ». 2012. № 2 (14). Т.1 - С. 149-152.

8. Каминский В.Н., Каминский Р.В., Лазарев A.B., Григоров И.Н., Костюков A.B., Корнеев С.А., Ковальцов И.В., Сергеев A.C., Гусак A.A., Сибиряков C.B. Создание стендов для контрольно-исследовательских испытаний турбокомпрессоров // Известия МГТУ МАМИ. - М.: МГТУ «МАМИ». 2012. № 2 (14). Т.1 - С. 143-149.

\

9. Каминский В.H., Каминский Р.В., Гусак A.A., Сибиряков C.B., Корнеев С.А., Ковальцов И.В., Сергеев A.C., Ищенко Н.В., Олисова Т.А. Создание и производство турбокомпрессоров и других агрегатов и систем двигателя с использованием информационных технологий / Каминский В.Н., Каминский Р.В., Гусак A.A., Сибиряков C.B., Корнеев С.А., Ковальцов И.В. // Известия МГТУ МАМИ. - М.: МГТУ «МАМИ». 2012. № 2 (14). Т.1 - С. 133-142.

10. Каминский В.Н., Григоров И.Н., Каминский Р.В., Сибиряков C.B., Кучев С.М., Лихачев В.Н. Разработка системы двухступенчатого наддува для двигателей КАМАЗ EURO-5 II Известия МГТУ МАМИ. - М.: МГТУ «МАМИ». 2012. № 2 (14). Т.1 - С. 126-132.

11. Григоров И.Н., Каминский В.Н., Каминский Р.В., Сибиряков C.B., Кучев С.М., Лихачев В.Н., Хафизов Р.Х. Опыт разработки систем наддува двигателей КАМАЗ Euro-4, 5. 4.1 // Журнал Автомобильных Инженеров. 2011. № 4 (69). М.: Издательский дом ААИ. 2011. - С. 28-35.

12. Григоров И.Н., Каминский В.Н., Каминский Р.В., Сибиряков C.B., Кучев С.М., Лихачев В.Н., Хафизов Р.Х. Опыт разработки систем наддува двигателей КАМАЗ Euro-4, 5. 4.2 II Журнал Автомобильных Инженеров. 2011. № 5 (70). М.: Издательский дом ААИ. 2011. - С. 16-17.

По материалам диссертации получено 8 патентов:

1. Устройство для запуска турбины турбокомпрессора, испытываемого на стенде. Авторы: Каминский В.Н., Каминский Р.В., Сибиряков C.B., Корнеев С.А., Лазарев A.B., Григоров И.Н., Костюков Е.А., Шаранов B.C., Филиппов A.C. № патента 150362, зарегистрировано 15.01.2015г., срок действия 27.02.2024г.

2. Устройство для детектирования и визуализации процесса горения в камере сгорания стенда испытаний турбокомпрессора. Авторы: Каминский В.Н., Каминский Р.В., Сибиряков C.B., Корнеев С.А., Лазарев A.B., Григоров И.Н., Костюков Е.А., Шаранов B.C., Филиппов A.C. № патента 143991, зарегистрировано 03.07.2014г., срок действия 25.02.2024г.

3. Стенд для испытания турбокомпрессоров двигателей внутреннего сгорания. Авторы: Каминский В.Н., Каминский Р.В., Сибиряков C.B., Корнеев С.А., Лазарев A.B., Григоров И.Н., Костюков Е.А., Шаранов B.C., Филиппов A.C., Сергеев A.C., Гусак A.A. № патента 138586, зарегистрировано 18.02.2014г., срок действия 20.09.2023г.

4. Стенд для испытания турбокомпрессоров двигателей внутреннего сгорания. Авторы: Каминский В.Н., Каминский Р.В., Сибиряков C.B., Корнеев С.А., Лазарев A.B., Григоров И.Н., Костюков Е.А., Шаранов B.C., Филиппов A.C., Сергеев A.C., Гусак A.A. № патента 138285, зарегистрировано 10.02.2014г., срок действия 20.09.2023г.

5. Автономная газотурбинная установка (варианты). Авторы: Каминский В.Н., Каминский Р.В., Сибиряков C.B., Грудский Ю.Г., Лазарев A.B. № патента 110409, зарегистрировано 20.11.2011г., срок действия 31.05.2021г.

6. Турбоэлектрокомпрессор (варианты). Авторы: Каминский B.II., Каминский Р.В., Сибиряков C.B., Корнеев С.А., Лазарев A.B., Котунов В.В., Лапшин С.А., Пахалов В.В., Пахалов И.И. № патента 96182, зарегистрировано 20.07.2010г., срок действия 05.05.2020г.

7. Турбокомпрессор (варианты). Авторы: Каминский В.Н., Каминский Р.В., Жолудов В.А., Загинайко А.Н., Григоров И.Н. Кч патента 81264, зарегистрировано 10.03.2009г., срок действия 12.11.2018г.

8. Корпус турбины турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания (варианты). Авторы: Каминский В.Н., Каминский Р.В., Жолудов В.А., Загинайко А.Н., Григоров И.Н. № патента 80506, зарегистрировано 10.02.2009г., срок действия 17.09.2018г.

Подписано в печать:

22.10.2015

Заказ № 10991 Тираж - 150 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru