автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Методология конструирования и эксплуатации регулируемых высоконапорных агрегатов турбонаддува на основе определения их газодинамических характеристик

ГРЕХНЁВ Андрей Владимирович

МЕТОДОЛОГИЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕГУЛИРУЕМЫХ ВЫСОКОНАПОРНЫХ АГРЕГАТОВ ТУРБОНАДДУВА НА ОСНОВЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Специальность 05.02.13 - «Машины, агрегаты и процессы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

Омск-2013

005541092

ГРЕХНЁВ Андрей Владимирович

МЕТОДОЛОГИЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕГУЛИРУЕМЫХ ВЫСОКОНАПОРНЫХ АГРЕГАТОВ ТУРБОНАДДУВА НА ОСНОВЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Специальность 05.02.13 - «Машины, агрегаты и процессы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск-2013

Работа выполнена на кафедре «Холодильная и компрессорная техника и технология» федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

Научный руководитель: Васильев Владимир Константинович,

доктор технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник СПП МО РФ при Президиуме РАН, г. Москва

Официальные оппоненты: Кузнецов Виктор Иванович,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Авиа- и ракетостроение» ОмГТУ, г. Омск

Евдокимов Василий Евгеньевич,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, технический директор ООО НПФ «ЭНТЕХМАШ», г. Санкт-Петербург

Ведущая организация: ОАО «Омский НИИД», г. Омск

Защита диссертации состоится 27 декабря 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.10 по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет».

Автореферат разослан 27 ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять учёному секретарю диссертационного совета Д 212.178.10 по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, Омский государственный технический университет.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.178.10 канд. физ.-мат. наук, профессор

Вад. И. Суриков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Агрегаты турбонаддува (АТ) нашли широкое применение в технологических, энергетических и транспортных силовых установках (СУ) для повышения их эффективности. Особенности работы АТ, связанные с изменением режимов эксплуатации, приводят к необходимости поиска решений по совершенствованию конструкций и процессов регулирования АТ, т. е. обеспечения соответствия их газодинамических хараю-еристик (ГДХ) с характеристиками сети, которой, для АТ являются рабочие полости силовой установки. ГДХ агрегатов турбонаддува, как и других турбомашин, выражают закономерности изменения их энергетических параметров от расходных, конструктивного исполнения, режима работы и являются незаменимым инструментом, как для проектирования, так и для эксплуатации.

Большой интерес представляет возможность применения высоконапорных агрегатов турбонаддува с авиационными рабочими колесами (РК) и регулируемыми входными направляющими аппаратами (ВНА), что требует создания более совершенных методик расчёта эксплуатационных параметров таких агрегатов в режимах регулирования.

На современном уровне развитие теории газодинамических процессов в тур-бомашинах и методов проектирования идет в направлении теоретического получения ГДХ решением задач трехмерного вязкого течения в отдельных элементах проточной части. Однако, трудность теоретической оценки влияния разных элементов проточной части агрегата на его ГДХ, приводит к тому, что достоверность получаемых при этом результатов, особенно для высоконапорных РК, работающих в области высоких окружных скоростей (С/2 > 350 м/с) и условных чисел Маха (Ми = и2/(кЯТи)0,5 > 1) на внешнем диаметре В2, является невысокой. Это вызывает необходимость применения эмпирических методик, основанных на изучении и обобщении результатов многофакторных испытаний, что дает основание, на основе экспериментально полученных ГДХ, разрабатывать методики пересчета их на другие условия работы, в том числе, на режимах регулирования.

В существующей специальной литературе пригодные для проектирования методики определения ГДХ высоконапорных АТ при меняющихся в процессе эксплуатации условиях работы (изменение частоты вращения ротора, угла поворота лопаток ВНА и др.), практически отсутствуют. Одним из наиболее эффективных способов регулирования АТ, при заданной частоте вращения, является применение ВНА с поворотными лопатками. Поэтому, вопросы создания совершенных конструкций регулируемых АТ с ВНА и разработки уточнённых методик определения их ГДХ в процессе эксплуатации на переменных режимах работы силовых установок, являются актуальными.

Объект исследования - агрегаты турбонаддува с осерадиальным рабочим колесом и регулируемым входным направляющим аппаратом.

Цель и задачи исследования.

Целью настоящей работы является повышение эффективности высоконапорных агрегатов турбонаддува силовых установок за счёт совершенствования их конструкции и алгоритма регулирования.

В соответствии с этим необходимо решить следующие основные задачи:

- выполнить экспериментальное исследование ГДХ высоконапорных компрессорных агрегатов авиационного типа на режимах регулирования поворотом лопаток ВНА в широком диапазоне изменения частот вращения;

- разработать методику определения ГДХ для АТ в процессе регулирования изменением угла потока воздуха перед РК с использованием эмпирических зависимостей, отражающих особенности авиационных РК полуоткрытого осера-диального типа;

- разработать методологию определения конструктивных параметров АТ, обеспечивающих максимальную эффективность работы силовой установки;

- определить взаимосвязь характеристик АТ и силовой установки от углов поворота лопаток ВНА и разработать рекомендации по алгоритму регулирования АТ на переменных режимах работы;

- разработать рекомендации по совершенствованию конструкций АТ с регулируемым ВНА.

Связь темы диссертационного исследования с общенаучными, государственными программами. Работа выполнена в рамках госбюджетной НИР № 1551 «Поисковые исследования путей создания комбинированного двигателя нового типа на основе использования роторно-поршневого газогенератора и газотурбинной расширительной машины»; НИР № 13202 «Прогнозные исследования перспектив создания и модернизации воздухонезависимых энергетических агрегатов с комбинированным рабочим телом, энергетических и энерготехнологических установок на их базе на основе использования многопоточных энергосберегающих рабочих циклов и усовершенствованных конструктивных схем».

Научная новизна заключается в следующем:

- в результате проведенных испытаний и анализа ГДХ для семи значений частот вращения, соответствующих диапазону окружных скоростей и2 = 394... 546 м/с (условных чисел Маха А/у = 1,1 ...1,6) и для девяти углов поворота лопаток ВНА относительно исходного положения в диапазоне Авп = —15°...+30° установлено, что эффективность регулирования (по КПД, производительности, отношению давлений, глубине регулирования) обеспечивается в диапазоне углов поворота лопаток ВНА относительно исходного положения +20°...-10° (+40°...+10° относительно осевого положения лопаток);

- разработана методика получения ГДХ АТ (отношения давлений, расхода воздуха, КПД) для различных углов поворота ВНА относительно исходной ГДХ

с учетом особенностей высоконапорных осерадиальных РК, в частности: наличия предварительно установленного угла поворота лопаток ВНА потока перед РК в исходном положении; изменения структуры потока на выходе из РК (изменение закрутки потока Си2); влияния потерь в лопаточной решетке ВНА и угла отставания потока от лопаток ВНА на газодинамические параметры;

- разработана методология определения параметров АТ на базе высоконапорных РК с поворотными лопатками ВНА для заданных технических характеристик СУ;

- разработан алгоритм взаимосвязи между углами поворота лопаток ВНА регулируемого АТ и частотой вращения вала СУ с целью обеспечения требуемых эксплуатационных параметров с максимальной эффективностью.

- разработаны рекомендации по конструированию АТ с регулируемым ВНА, новизна которых подтверждена патентом на изобретение и двумя патентами на полезную модель.

Практическая ценность состоит в следующем:

- разработаны рекомендации по выбору угла поворота лопаток ВНА при изменении режима работы АТ;

- разработаны рекомендации по конструированию и расчёту АТ с регулируемым ВНА;

- показана возможность эффективного применения серийно выпускаемых авиационных центробежных компрессоров в АТ с регулируемым ВНА, в том числе в составе силовых агрегатов наземного применения;

- на основе проведенного анализа взаимосвязи ГДХ АТ с осерадиальным РК и регулируемым ВНА с характеристиками дизельного силового агрегата 6ДМ-21А разработаны рекомендации по углам поворота ВНА в зависимости от оборотов вала силового агрегата от 900 до 1500 об/мин, обеспечивающих увеличение максимальной мощности и крутящего момента от 2,9 % (при п = 1260 об/мин и Ав„ = +5°) до 11,2 % (при /1 = 1020 об/мин и Дв„ = +20°) на режимах регулирования;

- результаты работы, а именно, результаты анализа экспериментальных исследований и методики определения ГДХ при изменении угла поворота лопаток ВНА внедрены и используются в ОАО «Омское моторостроительное конструкторское бюро».

Достоверность полученных в работе результатов подтверждается:

- применением в методике расчёта фундаментальных законов физики, газовой динамики, термодинамики, апробированных эмпирических зависимостей, обоснованным выбором расчётной схемы;

- применением современных измерительных приборов и оборудования, допущенных к применению Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии Министерства промышленности и энергетики РФ в соот-

ветствии с ПР 50.2.009-94 - «Государственная система обеспечения единства измерений. Порядок проведения испытаний и утверждение типа средств измерений», аттестованных по ГОСТ Р 8.568-97 — «Государственная система обеспечения единства измерений. Аттестация испытательного оборудования»;

- применением автоматизированной информационно-измерительной системы при проведении и обработке экспериментальных исследований;

- удовлетворительным совпадением результатов расчёта ГДХ по разработанной методике с экспериментальными данными для двух исследованных авиационных турбокомпрессорных агрегатов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на XIV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике (Казань, 2007); на Международной научно-технической конференции «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплоэлектротехиологиях» (Омск, 2010); на XV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике (Казань, 2011); на VIII Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 6 тезисов докладов, 1 патент на изобретение, 2 патента на полезную модель.

Объём работы. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Диссертация содержит 161 страницы текста, 71 рисунка, 4 таблицы. Список литературы включает 140 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражены актуальность, научная и практическая значимость работы, представлено краткое содержание всех глав, сформулированы цель и задачи работы.

В первой главе представлен обзор методов расчёта и проектирования авиационных и стационарных турбомашин, а также результатов теоретических и экспериментальных исследований рабочих процессов в них, в том числе на режимах регулирования, на основе анализа работ таких исследователей, как К. В. Холщевников, Б. С. Стечкин, П. К. Казанджан, С. М. Шляхтенко, В. Ф. Рис, К. П. Селезнев, Р. А. Измайлов, Н. Н. Бухарин, Ю. Б. Галеркин, Г. Н. Ден, В. Е. Евдокимов, В. К. Юн, Дж. М. Шульц и др. А также специалистов и ученых, работавших над созданием и совершенствованием АТ и теории двигателей внутреннего сгорания, таких как, В. А. Ваншейдт, Б. П. Банков, В. А. Лашко, Г. А. Конке, М. Г. Круглое, В. И. Кругов, А. Г. Рыбальченко и др.

Отмечены основные достоинства и недостатки предлагаемых методик расчета АТ. Среди наиболее значимых аспектов проведенного анализа следует отметить: во-первых, недостаточное количество экспериментальных данных, теоретических наработок и практических рекомендаций по разработке математических моделей АТ, в которых регулирование производится поворотом лопаток ВНА; во-вторых, отсутствие практического применения ступеней авиационных турбокомпрессоров для форсирования дизельных силовых установок, а также методик расчета таких агрегатов. Проведен анализ конструктивных решений и способов регулирования АТ. Представлен обзор теоретических и экспериментальных методов определения характеристик АТ. Выполнена оценка значимости регулирования при работе АТ. На основе проведённого анализа сформулированы цель и задачи диссертационного исследования.

Во второй главе представлены результаты экспериментального исследования влияния изменения угла потока воздуха входным направляющим аппаратом на ГДХ АТ. Для проведения экспериментальных исследований использована экспериментальная база ОАО «Омское моторостроительное конструкторское бюро».

Объект исследования - АТ с полуоткрытым осерадиальным РК, осевым ВНА, лопаточным диффузором, осевым диффузором для подвода воздуха в камеру сгорания (рис. 1). Основные параметры РК: диаметр £)2 = 0,268 м; относительная ширина ¿>2/ £>2 = 0,0285; угол выхода лопаток рл = 71,3°; число лопаток 22 = 32; втулочное отношение Дт = £)вт / Б2 = 0,3874; отношение входного диаметра периферийной части лопаток Д = Д / Л2 = 0,5681. В исходном положении лопатки ВНА повернуты в сторону вращения РК на 20°.

Рис. /. Схема ступени агрегата турбонаддува: ВНА — входной направляющий аппарат; ПООРК - полуоткрытое осерадиальное рабочее колесо;

РЛД - радиальный лопаточный диффузор; ОЛД - осевой лопаточный диффузор.

Всасывание (рис. 2) происходит из атмосферы через расходомерный коллектор 1, а выброс сжатого воздуха через выхлопную систему 6. Привод АТ осуществляется от электродвигателя мощностью 1000 кВт через промежуточный 14 и основной 11 мультипликаторы. Для определения газодинамических параметров АТ предусмотрено препарирование контрольных сечений ступени датчиками давления и температуры. В расходомерном коллекторе установлены два датчика температуры четыре датчика статического давления (Д/г„); в ресивере -четыре датчика статического давления и два термометра сопротивления; на входе в компрессор - две семиточечных гребенки полного давления (ДА*); на выходе из компрессора — четыре четырехточечные гребенки полного давления (ЛАК), четыре трехточечные термопары ((к). Частота вращения ротора измерялась с помощью частотомера.

Рис. 2. Схема испытательного стенда: 1 - расходомерный коллектор; 2 - дроссель; 3 - воздуховод; 4 — ресивер; 5 - АТ;

6 - выхлопная система; 7,8- дальний и ближний дроссели; 9 - улитка; 10 — основной и промежуточный мультипликаторы; 11 -электродвигатель; 12 - двойная сетка; 13 — противопомпажный клапан; 14 - барометр и термометр для замера давления

и температуры окружающего воздуха; 15 — измерение статического давления в расходомере; 16- измерение статического давления и температуры в ресивере;

17 — измерение полного давления на входе в компрессор; 18— измерение полного давления и температуры за компрессором; 19 — измеритель частоты вращения

Испытания по снятию ГДХ АТ осуществлялись на нескольких заданных частотах вращения. Изменение расхода производилось дросселированием на выходе. Выполнялось снятие параметров не менее чем для 8 контрольных точек с выходом на границу устойчивой работы. Перепад давлений помпажной точки контролировался визуально по пьезометру.

По результатам испытаний строились зависимости N: пр =Д(7пр, лпр), лк -= y(Gnp, Ппр), ¡hm =AGnp, Ипр) при различных значениях угла поворота лопаток ВНА Д0Л.

Целью проведения экспериментальных исследований являлось изучение влияния угла потока воздуха перед PK на изменение КПД, отношение давлений, расхода воздуха и потребляемой мощности. Полученные данные были использованы для разработки методики расчёта ГДХ, представленной в главе 3.

В результате проведенных испытаний получены приведенные ГДХ для семи значений приведенных частот вращения: /¡npi = 38 940 об/мин (U2 = 546 м/с; Ми= 1,592); Ппр2 = 37 538 об/мин (U2 = 527 м/с; Ми= 1,535); ипр3 = 36 058 об/мин (U2 = 506 м/с; Ми = 1,474); п^ = 35 085 об/мин (С/2 = 492 м/с; Ми = 1,434); ипр5 = = 33 683 об/мин (U2 = 473 м/с; Ми = 1,377); ппр6 = 30 880 об/мин (U2 = 433 м/с; Мц = 1,262); wnP7 = 28 076 об/мин (U2 = 394 м/с; Ми -- 1,148) и для девяти углов поворота лопаток ВНА относительно исходного положения: &вл = 0°, -5°, -10°, -15°, +5°, +10°, +15°, +20°, +30° (рис. 3).

Рис. 3. Приведенные ГДХ АТ при различных ушах поворота лопаток ВНА на частоте вращения ппр = 37 538 об/мин

После обработки экспериментальных данных получены графические зависимости максимальных значений адиабатного КПД (рис. 4), максимального отношения давлений (рис. 5), максимального массового расхода воздуха С„р тах (рис. 6) от угла поворота лопаток ВНА для разных частот вращения. Из рис. 4 следует, что для больших частот вращения (86,5-100 %) предпочтительным является режим работы при установке лопаток ВНА в исходное положение или при небольшом их повороте в сторону вращения колеса, т. е. при Ав„ = 0...+50. При работе АТ на пониженных частотах вращения (72,1-79,2 % от ппр гаах), максимум КПД соответствует положительным углам поворота ВНА в пределах Л0Л = +5 ...+10°.

Рис. 4. Зависимость максимальных значений адиабатного КПД ступени АТ от угла поворота лопаток ВНА и приведенной частоты вращения

Рис. 5. Зависимость максимальных значений отношения давлений ступени АТ от угла поворота лопаток ВНА и приведенной частоты вращения

Рис. б. Зависимость максимальных значений приведенного массового расхода от угла поворота лопаток ВНА и приведенной частоты вращения

В диапазоне исследованных углов поворота Ав„ = -15...+20° и частот вращения изменение максимальных значений адиабатного КПД ступени составило около 9 %. Характер зависимостей Опр тах =ЛА0п, ппр), л-к гаах =ДА0„, лпр) примерно одинаков, и общей тенденцией является сужение диапазона изменения газодинамических параметров (отношения давлений и производительности) центробежной ступени при снижении числа оборотов ротора. Таким образом, более чувствительное регулирование поворотом лопаток в диапазоне Ав„ от-15° до

+20° можно получить при высоких частотах вращения от 86,5 до 100 %. Пу-

*

тем аппроксимации функций двух переменных получены зависимости г) ад тах = =У(Д0л, Мц), /кшах =ДД0л, Ми), (/„ртах Мц):

«С» =4-10-6(1-М[/)Д£?л3 + 7-10-5(1 -1,429Ми)Ав2„ + +(0,0345Ми - 0,014М^ + О, 02)Д<?Л + 0,039Ми + 0,742;

<тах = 3• 10"5(1 -Ми)Ав1 + (0,02Ми - 0,00тги - О,О13)Д0л2 + +(0,555Ми - 0,2\Ш1 - 0,353)Д<9Л + 6,137М£ -10,2^ + 6,42;

8 -10^(1-0, 875М„)Д0Л2 + +(0,118 - 0,091М1 + 0,2ЧШ1 - 0,325М„)Двя +1,95 \Ми -1,195.

Таким образом, в результате проведенных экспериментальных исследований были получены данные ГДХ ступени АТ при различных углах установки лопаток ВНА, необходимые для разработки методики расчёта характеристик регулируемого АТ.

Третья глава посвящена разработке методики теоретического расчета ГДХ ступени АТ, относительно исходной ГДХ, при изменении угла потока воздуха перед РК.

Методика пересчета ГДХ ступени, в основном, основана на положениях, которые приведены в работах таких исследователей, как В. Ф. Рис, Г. Н. Ден, В. Г. Соловьёв, В. Н. Кондратов и др., но с учетом следующих особенностей, свойственных высоконапорным ступеням авиационного типа: полуоткрытое осеради-альное рабочее колесо с большим углом установки лопаток на выходе (Д,2 = 71,3°); уровень условных чисел Маха Мц > 1; наличие предварительного угла потока воздуха перед лопатками РК в исходном положении лопаток ВНА (О0 = 20°).

Исходными данными для расчета являются приведенные газодинамические характеристики ступени Д пр =ДС„Р, и„Р), л* =ЛСпр, ппр), г}'ю =ДОлр, лпр), полученные экспериментально при установленных в исходное положение лопатках ВНА. Задачей расчета является получение газодинамических характеристик при повороте лопаток ВНА как в сторону вращения РК (Дв„ > 0), так и в противоположную сторону (Д6»л < 0): Щ „р =Лвпр, ипр, Д0Л), я-* =/(<7пр, ипр, Авя), =ДС7пр, ипр, Д0Л), причем за нулевое значение (Двл = 0) принимается исходное положение лопаток ВНА.

Для выполнения расчета ГДХ необходимо получение рекомендаций по расчету трех величин: угла входа потока на лопатки РК А0\, коэффициента потерь в решетке ВНА £вна; коэффициента изменения угла потока воздуха на выходе из РК. Для оценки качественной и количественной характеристики данных параметров использованы результаты экспериментальных исследований, описанные в главе 2.

Обработка полученных экспериментальных ГДХ при различных углах поворота лопаток ВНА Авл и частотах вращения Пф (рис. 7) позволила установить зависимость фактического угла поворота потока Ав\ от геометрического угла поворота лопаток Ав„ и от условных чисел Маха:

Д0, = О,О6М^Д0л + (0,048М„ - 0,055)Д6>Л2.

Для расчета коэффициента потерь в решетке ВНА, использовались как числа Маха, посчитанные по скорости воздуха в начальном сечении (Мс = СНД/АД7^), так и Мц. В результате двухпараметрической обработки экспериментальных данных, получены зависимости (рис. 8):

¿вид =/[Д«л, Ми): £внд = (0,085М£ - 0,127 Ми)А0л + 0,002ДО2; &НА =ЛЛ0л, Л/со): £„„а = (-0,016• &02ц +1,088 • Авя + (0,0114• Д6»л2 - 0,36- Ав„)МСа.

Из полученных экспериментальных данных следует, что при изменении угла поворота лопаток ВНА происходит изменение угла отставания потока от ло-

паток в выходном сечении РК. Данное изменение можно учесть введением коэффициента изменения угла потока воздуха на выходе из РК в абсолютном движении (коэффициент изменения закрутки) = С'и2 / С„2(о). Зависимость изменения угла потока на выходе РК от частоты вращения (условных чисел Маха) несущественна. В результате обработки экспериментальных данных получена формула: цв = (0,93 - 0,1 / (1 - <рг сЩР„2)-

Допущения, принимаемые при расчете: 1) не учитывается пространственный характер потока в системе ВНА-РК, т. е. расчет ведется по параметрам потока, осредненным в контрольных сечениях (выход из ВНА, вход на лопатки РК, выход из РК); 2) пренебрегается изменением плотности воздуха при течении через лопаточную решетку ВНА.

Расчет выполняется по безразмерным ГДХ, т. е. зависимостям коэффициентов мощности у/цо), политропного КПД 7п(о), от коэффициента расхода и условного числа Маха Ми: у/т =А<Рг(о)> ми), Пт =Лч>2(оь которые получены пересчетом размерных зависимостей =/(0||р, ипр), = ипр) при установленных в исходное положение лопатках ВНА для каждой частоты вращения.

Рис. 7. Зависимость угла входа потока на лопатки РК от угла поворота лопаток ВНА для различных условных чисел Маха

-5 -О -5 -0,20 - :Г "" 15

---.0,40 ----1

Рис. 8. Зависимость коэффициента потерь энергии в лопаточной решетке ВНА от угла поворота лопаток ВНА для различных условных чисел Маха

Коэффициент расхода для исходного положения лопаток ВНА <р2(0) находится итерационно, задаваясь предварительно коэффициентом реакции РК Г2<о) и вычисляя коэффициент изменения плотности

ет = [l + (* -1) • Ц0)' ¥т ■ M2v~Ja~l,

где ег0 = г?п(о)к/ (к - 1) - число политропы сжатия.

Коэффициент расхода во входном сечении РК (<рцо) ~ Czi(0)/ U2) при исходном положении лопаток ВНА находится через известный коэффициент расхода в выходном сечении РК и его геометрические размеры

«>1(0) = ^2(0)^2(0) /А )/Fl >

где Fx - площадь входного сечения РК с учетом загромождения лопатками.

Коэффициент теоретического напора ({¿'до) = Лдо) / í/22) для исходного положения лопаток ВНА, более достоверно, может быть определен через коэффициент мощности

Vtí0) = 0)/У(0) >

где До) = 1 + 1 / [1000яц/щ>-,<р2ф)(Ь2/D2)] — коэффициент потерь энергии в зазоре между поверхностями лопаток и корпусом.

Коэффициент расхода = С,2 / U2) при текущем значении угла поворота лопаток ВНА Ав„ находится из уравнений сохранения массового расхода:

(l + tgA,,-tgg0) 2<0' е2 (l + tg/^-tg^+&?,))'

Коэффициент теоретического напора при повороте лопаток ВНА на угол Авл

Ч>Т = Мв¥тт + (Мо ~ 1М(0)4{8во - д "{<P2ei tg(<90 <Pmf 2(0) {S^о)■

1 ВТ

Коэффициент мощности при угле поворота лопаток Д0Л: щ = ц/ту. Потери КПД в лопаточной решетке ВНА на различных режимах

где (р\ = C2l / U2- коэффициент расхода в сечении 1-1. Политропный КПД ступени цп = 7„(0)- ДtjI"A •

С учетом найденного КПД, уточняется число политропы сжатия и коэффициент изменения плотности. Расчет производится итерационно до достижения заданной точности вычислений. Далее выполняется перевод полученных безразмерных характеристик к размерному виду.

Результаты пересчета ГДХ центробежной ступени по предлагаемой методике в диапазонах изменения углов потока А0Д — +20...-15° и условных чисел Маха Ми = 1,148... 1,592 показали удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными. Максимальная разница в сравнении посчитанных значений С?„ пр п,, (jw.np.nux, Чп тк, 4 И экспериментальных данных составила 7,41, 0,54, 1,56 и 2,06 % соответственно.

На рис. 9 показано сравнение расчетных ГДХ с экспериментальными данными на примере одного фиксированного угла поворота лопаток ВНА.

Рис. 9. Сравнение расчетных (сплошные линии) и экспериментальных (пунктирные линии) приведенных ГДХ АТ для А0„ = +5° при различных частотах вращения ротора

Проверка разработанной методики пересчета ГДХ на адекватность выполнялась верификацией с результатами экспериментальных исследований АТ (диаметр £>2 = 223,87 мм; относительная ширина Ь21 02 = 0,0317; угол выхода лопа-

ток /?л2 = 76,4°; число лопаток х2 = 34; втулочное отношение = £>„/£>., = 0,356; отношение входного диаметра периферийной части лопаток Д = Д/Д, = 0,6465). Исследования проводились для шести частот вращения ротора от 37 500 до 43 ООО об/мин, что соответствует уровню окружных скоростей 112 = 440...504 м/с {Ми - 1,4... 1,6) для двух положений лопаток ВНА 0° и +5°. Полученные результаты пересчета ж*, т]п, Ов пр и их сравнение с экспериментальными данными приведены на рис. 10. Максимальная разница значений Овпр гр> С, „ртм, 77птах, я^тах, полученных при экспериментальном исследовании и при расчёте по разработанной методике составила 1,76, 2,27, 1,56 и 1,58 % соответственно, что подтверждает адекватность разработанной расчетной методики пересчета ГДХ рассматриваемым объектам исследования.

Рис. 10. Сравнение расчетных (сплошные линии) и экспериментальных (пунктирные линии) приведенных ГДХ для Авл = +5° при различных частотах вращения

Проведенные экспериментальные исследования работы высоконапорных ступеней АТ на режимах регулирования поворотом лопаток ВНА и изменением частоты вращения ротора позволяют оценить возможные диапазоны изменения газодинамических параметров ступеней и пределы приемлемой их эффективности. Представленная методика получения ГДХ центробежной ступени АТ, оснащенной регулируемым ВНА, позволяет оценить изменение основных параметров (производительности, отношения давлений, потребляемой мощности) при изменении угла потока. Расчетные формулы могут использоваться применительно к высоконапорным центробежным РК, работающих в условиях высоких условных чисел Маха (1,0 < Ми < 1,6).

Одним из возможных направлений использования расчетных алгоритмов является оценка диапазонов режимов работы АТ с комбинированными системами регулирования (и„р = уаг ивл- уаг) в стационарных или транспортных силовых установках, в составе агрегатов наддува воздуха в рабочую полость двигателя.

Четвёртая глава посвящена созданию методологии определения конструктивных параметров АТ, обеспечивающих максимальную эффективность работы силовой установки; определению взаимосвязи характеристик АТ. и силовой установки от углов поворота лопаток ВНА и разработке рекомендаций по алгоритму регулирования АТ на переменных режимах работы; совершенствованию конструкций АТ с регулируемым ВНА.

Методология определения конструктивных параметров АТ (рис. 11) состоит в том, что по результатам проведенных или имеющихся экспериментальных ГДХ АТ при разных углах установки ВНА и их анализа разработана методика определения ГДХ АТ при повороте ВНА на заданный угол. Применяя данную методику к выбранному АТ (из имеющейся базы данных), рассчитывается диапазон возможных рабочих режимов АТ. Производится расчёт характеристик СУ (характеристики сети для АТ). Далее выполняется построение линии совместных режимов (линии рабочих режимов ЛРР) АТ и СУ при заданной частоте вращения ротора АТ (передаточном отношении мультипликатора). Расчет выполняется итерационно с постепенным увеличением оборотов (передаточного отношения) до максимально допустимых оборотов АТ. При достижении эффективного результата (ЛРР вблизи максимума КПД АТ), конструкция АТ для данного СУ принимается. В противном случае, выбирается другой АТ. На основе данных эксперимента, представленных в главе 2, а также известных скоростных характеристик СУ установки был произведён расчёт рабочего процесса СУ с наддувом авиационным АТ вместо штатного. Расчёт производился по известным зависимостям и соотношениям, заимствованным из методик В. А. Ван-шейдта и Б. П. Байкова. Расчёт включает в себя расчёты процессов наполнения, сжатия, сгорания и расширения. На входе задавались параметры АТ, полученные в результате эксперимента, известные параметры СУ (диаметр и ход порш-

ня, количество цилиндров, обороты вала), а также расчётные коэффициенты, рекомендованные специальной и справочной литературой. Расчёт выполнялся методом последовательных приближений до сходимости основных параметров.

Рис. 11. Методология определения конструктивных параметров АТ

В результате расчёта были получены значения мощности и крутящего момента силовой установки в диапазоне оборотов вала от 1020 до 1500 мин"1 при различных углах установки ВНА. По полученным значениям построены графические зависимости мощности и крутящего момента силовых установок с регулируемыми АТ с ВНА (рис. 12), которые позволяют определить предпочтительный, с точки зрения обеспечения максимальной экономичности, диапазон изменения углов поворота лопаток ВНА при различной частоте вращения вала силовой установки (рис. 13). В соответствии с этим разработаны рекомендации для рациональных углов поворота лопаток ВНА применительно к регулируемому АТ дизельной установки типа 6ДМ-21 А, соответствующие максимальным значениям мощности и крутящего момента (для рассмотренного диапазона изменения частоты вращения приводного вала силового агрегата).

Рис. 12. Зависимости мощности (а) и крутящего момента (б) дизельной силовой установки от оборотов вала и угла установки ВНА наддувочного авиационного АТ, где А0Л: 1 - +20°; 2 - +15°; 3 - +10°; 4 - +5°; 5 - 0°; 6 —5°; 7—10°; 8—15°

По результатам приведенного примера расчета разработан алгоритм регулирования AT (рис. 14) в составе СУ. Управление осуществляется через модуль обработки сигналов, в который заложена зависимость максимальных мощности и крутящего момента СУ от оборотов вала и угла поворота ВНА. Сигнал передаётся через модуль управления СУ на модуль управления поворотом лопаток ВНА. Например, вид зависимости для 6ДМ-21А определяется соотношением (для диапазона 1020...1460 об/мин): Д0Л = -0,0000353-nj + 0,0167-по6 +39,503.

А^внл, град-

го __._____________

S

' ч.

»-------------

5ZZZZZZZS'ZZZZZZ ________S______

о---------Ц-----

-sZZZZZZZZZZ^ZZZZ

-В _____________XII,

его то wo 1260 о40 иго еоо

Рис. 13. График зависимости Л0вна =/(«)

Рис. 14. Структурная схема системы регулирования агрегата турбонаддува: / - поршневая СУ; 2 - АТ; 3 - механизм поворота лопаток ВНА АТ; 4 - модуль замера расхода воздуха; 5 - датчик температуры воздуха; 6 - датчик оборотов вала АТ; 7— выходной вал СУ; 8 - насос-дозатор топлива; 9 - вход воздуха в АТ; 10 — управление СУ — команда оператора; 11 — модуль обработки поступающих сигналов; 12 - модуль управления СУ; 13 - модуль управления поворотом лопаток ВНА; 14 - модуль управления насосом-дозатором

S

ч

ч

Ч

\

\

\

S

V

\

\

ч

\

его too ico 1260 то пго wo

I9

Для совершенствования регулируемых АТ получены новые технические решения ВНА, на которые получены патенты на изобретение и полезные модели (рис. 15-17).

сопловых лопаток турбины» (Патент на изобретение №2300669 от 21.10.2005)

1А

(Патент на полезную модель № 113545 от 14.09.2011)

|А А

(Патент на полезную модель № 116923 от 26.12.2011)

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований АТ с поворотным ВНА доказана возможность эффективного применения серийно выпускаемых авиационных осерадиальных колёс для агрегатов турбо-наддува силовых дизельных установок, разработана методология конструирования и эксплуатации высоконапорных АТ. Были получены следующие результаты:

1. Проведены экспериментальные исследования работы двух турбоком-прессорных агрегатов с осерадиальными РК и ВНА на режимах регулирования за счет изменения окружной составляющей абсолютной скорости перед входом в РК в диапазоне изменения углов поворота лопаток ВНА относительно исходного положения Д0Л = -15° ... +30° (+5°...+50° относительно осевого положения) для различных частот вращения, соответствующих окружным скоростям и2 = 394...546 м/с (условным числам Маха Ми= 1,15...1,6).

2. На основании анализа экспериментальных исследований определены эффективные диапазоны регулирования АТ (по адиабатному КПД, производительности, отношению давлений, глубине регулирования), которые составили для углов поворота лопаток ВНА относительно исходного положения от +20° до -10° (+40°...+10° относительно осевого положения лопаток).

3.По результатам обработки экспериментальных данных получены двух-параметрические эмпирические зависимости от угла поворота лопаток ВНА и условных чисел Маха (чисел Маха, определенных по скорости во входном сечении РК):

• максимальных значений отношения давлений, расхода воздуха и КПД АТ, характер которых показывает, что более чувствительное регулирование АТ поворотом лопаток ВНА можно получить при высоких частотах вращения ротора;

• фактического угла поворота потока (угла отставания потока от лопаток ВНА);

• коэффициента потерь в лопаточной решётке ВНА;

4. Разработана методика получения ГДХ АТ для различных углов поворота ВНА относительно исходной ГДХ (полученной экспериментально для лопаток ВНА установленных в исходное положение) с учетом особенностей высоконапорных осерадиальных РК, в частности:

• наличия предварительно установленного угла поворота лопаток ВНА перед РК в исходном положении;

• изменения структуры потока на выходе из РК (изменение окружной составляющей абсолютной скорости Сиг);

• влияния потерь в лопаточной решетке ВНА и угла отставания потока от лопаток ВНА на параметры АТ. ...

5. Разработана методология определения параметров АТ на базе высоконапорных РК с поворотными лопатками ВНА для заданных технических характеристик силовой установки;

6. Разработан алгоритм взаимосвязи меяеду углами поворота лопаток ВНА регулируемого АТ и частотой вращения вала силовой установки с целью обеспечения требуемых эксплуатационных параметров с максимальной эффективностью.

7. На основе проведенного анализа взаимосвязи ГДХ АТ с осерадиальным рабочим колесом и входным направляющим аппаратом с характеристиками дизельного силового агрегата 6ДМ-21А разработаны рекомендации по углам поворота ВНА в зависимости от оборотов вала силового агрегата от 900 до 1500 об/мин, обеспечивающих увеличение максимальной мощности и крутящего момента от 2,9 % (при п = 1260 об/мин и Авл = +5°) до 11,2 % (при п = 1020 об/мин и Д0Л = +20°) на режимах регулирования;

8. Разработаны перспективные конструкции регулируемых входных направляющих аппаратов АТ, новизна которых подтверждена патентом на изобретение и двумя патентами на полезную модель.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах перечня ВАК

1. Ваняшов, А. Д. Результаты экспериментальных исследований центробежной ступени с осерадиальным рабочим колесом и входным регулирующим аппаратом / А. Д. Ваняшов, А. В. Жерелевич, А. В. Грехнёв, Д. Я. Дудьев // Омский научный вестник. - 2010. - № 3. - С. 105-108.

2. Ваняшов, А. Д. Исследование влияния закрутки потока входным направляющим аппаратом на газодинамические характеристики центробежной компрессорной ступени / А. Д. Ваняшов, А. В. Грехнёв // Компрессорная техника и пневматика. - 2012. - № 3. - С. 23-29.

3. Ваняшов, А. Д. Особенности пересчета газодинамических характеристик высоконапорной ступени турбокомпрессора при изменении частоты вращения ротора / А. Д. Ваняшов, В. Л. Юша, А. В. Грехнёв, В. К. Васильев // Компрессорная техника и пневматика. - 2013. - № 6. — С. 34—39.

Статьи в научных изданиях

4. Грехнёв, А. В. Выбор параметров газоперекачивающих агрегатов на стадии проекта реконструкции компрессорных станций / А. В. Грехнёв, А. Д. Ваняшов, А. Н. Кабаков, А. В. Жерелевич Н Труды 14-й международ, науч.-техн. конф. по компрессорной технике. - Казань : Слово, 2007. - Т. 2. - С. 428-435.

5. Грехнёв, А. В. Турбокомпрессор наддува с комбинированной системой регулирования для газовых ДВС / А. В. Грехнёв // Энергосбережение в теплоэнергетике и теплоэлектротехнологиях : материалы Международ, науч.-техн. конф. - Омск, 2010. - Кн. 2. - С. 22-25.

6. Грехнёв, А. В. Теоретическая оценка эффективности транспортной комбинированной силовой установки / А. В. Грехнёв, А. В. Зиновьева, Г. И. Чернов, В. Л. Юша // Энергосбережение в теплоэнергетике и теплоэлектротехнологиях: материалы Международ, науч.-техн. конф. - Омск, 2010. - Кн. 2. - С. 153-154.

7. Ваняшов, А. Д. Методика пересчёта газодинамических характеристик высоконапорной центробежной ступени при изменении угла поворота лопаток входного направляющего аппарата с учётом предварительной закрутки / А. Д. Ваняшов, А. В. Грехнёв, А. И. Бибик // Труды 15-й международ, науч.-технич. конф. по компрессорной технике. - Казань : Слово, 2011. - Т. 1. - С. 344-353.

8. Ваняшов, А. Д. Методика выбора диаметра периферийной части лопаток во входном сечении осерадиального рабочего колеса центробежного компрессора при наличии положительной закрутки / А. Д. Ваняшов, Е. М. Васенко, А. В. Грехнёв // Материалы 8-й Международ, науч.-техн. конф. «Динамика систем, механизмов и машин». - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2012. - Кн. 2. -С. 71-75.

9. Васильев, В. К. Оценка применимости роторных агрегатов объёмного действия с турбонаддувом в комбинированных силовых установках / В. К. Васильев, А. А. Гуров, А. В. Грехнёв // Материалы 8-й Международ, науч.-техн. конф. «Динамика систем, механизмов и машин». - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2012. -Кн. 2.-С. 79-81.

Патенты РФ

10. Устройство поворота направляющих лопаток компрессора, а также сопловых лопаток турбины : пат. № 2300669; заявл. 21.10.2005, МПК F04D 27/00 / Грехнёв А. В., Грехнёв В. А.

11. Устройство поворота направляющих лопаток компрессора : пат. № 113545; Заявл. 14.09.2011, МПК F04D 27/00, F04D 29/36 / Грехнёв А. В., Ваняшов А. Д., Бибик А. И.

12. Устройство поворота направляющих лопаток компрессора : пат. № 116923; Заявл. 26.12.2011, МПК F04D 27/00 / Грехнёв А. В., Ваняшов А. Д., Юша В. Л.

Печатается в авторской редакции Компьютерная верстка Л. Ю. Углиржа

Подписано в печать 18.11.13. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Отпечатано на дупликаторе. Усл. печ. л. 1,5. Уч.-юд. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 629.

Издательство ОмГГУ. 644050, г. Омск, пр. Мира, И; т. 23-02-12 Типография ОмГТУ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

МЕТОДОЛОГИЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕГУЛИРУЕМЫХ ВЫСОКОНАПОРНЫХ АГРЕГАТОВ ТУРБОНАДДУВА НА ОСНОВЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы

(промышленность)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

ГРЕХНЁВ АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

04201455309

Научный руководитель: Доктор технических наук, доцент Васильев В.К.

Омск-2013 г.

Содержание

Содержание............................................................................ 2

Введение............................................................................... 4

1. Анализ современного состояния разработок в области регулируемых агрегатов турбонаддува и обоснование задач исследования.......................................................................... 10

1.1 Анализ теоретических исследований в области регулируемых агрегатов турбонаддува................................................10

1.2 Анализ существующих способов регулирования агрегатов турбонаддува........................................................................ 24

1.2.1 Изменение числа оборотов................................................ 25

1.2.2 Дросселирование............................................................ 25

1.2.3 Поворот лопаток входного направляющего аппарата..........................29

1.2.4 Поворот лопаток диффузора............................................. 33

1.3 Обзор теоретических и экспериментальных методов определения характеристик агрегатов турбонаддува............................................................................36

1.3.1 Расчет характеристик ступени агрегата турбонаддува при изменении угла потока во входном направляющем аппарате....................36

1.3.2 Расчет ступени агрегата турбонаддува по средним параметрам........................................................................... 40

1.3.3 Методика расчёта характеристик ступени регулируемого агрегата турбонаддува с использованием ограниченных экспериментальных данных................................................................................. 53

1.3.4 Методы экспериментального исследования агрегатов турбонаддува 57

2. Экспериментальные исследования влияния поворота потока входным направляющим аппаратом на изменение газодинамических характеристик ступени агрегата турбонаддува 61

2.1 Описание экспериментального стенда и измерительного комплекса 61

2.2 Оценка критериев достоверности поверки измерительных преобразователей давления...................................................... 75

2.3 Методика проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных................................................................................. 78

2.4 Погрешности измерений......................................................................................................................84

2.4.1 Определение погрешностей прямых измерений..................... 87

2.4.2 Определение погрешностей косвенных измерений..................................88

2.5 Результаты экспериментальных исследований......................... 88

3. Разработанная методика теоретического расчета газодинамических характеристик при изменении угла потока перед рабочим колесом.................................................................. 100

3.1 Исходные данные, допущения, основные расчётные уравнения...... 100

3.2 Реализация методики расчёта газодинамических характеристик 106

3.3 Верификация разработанной методики расчёта газодинамических характеристик............................................................................................................................................116

4. Разработка методологии определения конструктивных параметров агрегатов турбонаддува, обеспечивающих максимальную эффективность работы силовой установки..................118

4.1 Алгоритм регулирования газотурбинной установки с поворотными лопатками агрегата турбонаддува......................................................................................118

4.2 Разработка методологии определения конструктивных параметров агрегата турбонаддува, обеспечивающих максимальную эффективность работы силовой установки и алгоритма регулирования агрегата турбонаддува поршневой силовой установки............................................................125

4.2.1 Методология определения конструктивных параметров агрегата турбонаддува, обеспечивающих максимальную эффективность работы силовой установки............................................................... 125

4.2.2 Разработка алгоритма регулирования агрегата турбонаддува поршневой силовой установки................................................................................................126

4.3 Разработка рекомендаций по совершенствованию конструкций ВНА регулируемых агрегатов турбонаддува..........................................................................135

5. Заключение.................................................................... 147

Литература.......................................................................... 149

Введение.

Агрегаты турбонаддува (АТ) нашли широкое применение в технологических, энергетических и транспортных силовых установках (СУ) для повышения их эффективности. Особенности работы АТ, связанные с изменением режимов эксплуатации, приводят к необходимости поиска решений по совершенствованию конструкций и процессов регулирования АТ, т.е. обеспечения соответствия их газодинамических характеристик (ГДХ) с характеристиками сети, которой, для АТ являются рабочие полости силовой установки. ГДХ агрегатов турбонаддува, как и других турбомашин, выражают закономерности изменения их энергетических параметров от расходных, конструктивного исполнения, режима работы и являются незаменимым инструментом, как для проектирования, так и для эксплуатации.

Большой интерес представляет возможность применения высоконапорных агрегатов турбонаддува с авиационными рабочими колесами (РК) и регулируемыми входными направляющими аппаратами (ВНА), что требует создания более совершенных методик расчёта эксплуатационных параметров таких агрегатов в режимах регулирования.

На современном уровне развитие теории газодинамических процессов в турбомашинах и методов проектирования идет в направлении теоретического получения ГДХ решением задач трехмерного вязкого течения в отдельных элементах проточной части. Однако, трудность теоретической оценки влияния разных элементов проточной части агрегата на его ГДХ, приводит к тому, что достоверность получаемых при этом результатов, особенно для высоконапорных РК, работающих в области высоких окружных скоростей (112 > 350 м/с) и условных чисел Маха (Ми^Цг/(кКТн)°'5> 1) на внешнем диаметре П2, является невысокой. Это вызывает необходимость применения эмпирических методик, основанных на изучении и обобщении результатов многофакторных испытаний, что дает основание, на основе экспериментально полученных ГДХ, разрабатывать

методики пересчета их на другие условия работы, в том числе, на режимах регулирования.

В существующей специальной литературе пригодные для проектирования методики определения ГДХ высоконапорных АТ при меняющихся в процессе эксплуатации условиях работы (изменение частоты вращения ротора, угла поворота лопаток ВНА и др.), практически отсутствуют. Одним из наиболее эффективных способов регулирования АТ, при заданной частоте вращения, является применение ВНА с поворотными лопатками. Поэтому, вопросы создания совершенных конструкций регулируемых АТ с ВНА и разработки уточнённых методик определения их ГДХ в процессе эксплуатации на переменных режимах работы силовых установок, являются актуальными.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является повышение эффективности высоконапорных агрегатов турбонаддува силовых установок за счёт совершенствования их конструкции и алгоритма регулирования.

В соответствии с этим необходимо решить следующие основные задачи:

- выполнить экспериментальное исследование ГДХ высоконапорных компрессорных агрегатов авиационного типа на режимах регулирования поворотом лопаток ВНА в широком диапазоне изменения частот вращения;

- разработать методику определения ГДХ для АТ в процессе регулирования изменением угла потока воздуха перед РК с использованием эмпирических зависимостей, отражающих особенности авиационных РК полуоткрытого осерадиального типа;

- разработать методологию определения конструктивных параметров АТ, обеспечивающих максимальную эффективность работы силовой установки;

- определить взаимосвязь характеристик АТ и силовой установки от углов поворота лопаток ВНА и разработать рекомендации по алгоритму регулирования АТ на переменных режимах работы;

- разработать рекомендации по совершенствованию конструкций АТ с регулируемым ВНА.

Диссертация состоит из четырех глав. В первой главе рассмотрены современные работы, посвященные изучению осерадиальных колес, влиянию геометрических и конструктивных параметров на их эффективность, а также влияние неподвижных элементов проточной части на эффективность работы ступени АТ. Рассматриваются перспективы применения осерадиальных колес. Приведены данные о влиянии чисел Рейнольдса, Маха и показателя изоэнтропы на характеристики как рабочего колеса, так и ступени в целом. Обосновывается необходимость и актуальность данного исследования.

Во второй главе изложены вопросы, связанные с техническими характеристиками экспериментального стенда и принципами его работы. Приводятся данные об измерительной и контролирующей аппаратуре, схемы препарирования контрольных сечений, излагается методика подготовки стенда к испытаниям и проведения эксперимента. Дано описание объекта исследования. Приведены полученные результаты.

В третьей главе на основании экспериментальных исследований, представленных в главе 2 выполнен анализ влияния угла поворота лопаток входного направляющего аппарата и изменения частоты вращения ротора на основные газодинамические характеристики ступени. Приведена методика теоретического прогнозирования формы газодинамических характеристик АТ на режимах регулирования.

В четвертая глава посвящена созданию методологии определения конструктивных параметров АТ, обеспечивающих максимальную эффективность работы силовой установки; определению взаимосвязи характеристик АТ и силовой установки от углов поворота лопаток ВНА и разработке рекомендаций по алгоритму регулирования АТ на переменных режимах работы; совершенствованию конструкций АТ с регулируемым ВНА. Приведены разработанные автором конструкции регулируемых входных направляющих аппаратов, защищённые патентами РФ.

Научная новизна заключается в следующем:

- в результате проведенных испытаний и анализа ГДХ для 7-ми значений частот вращения, соответствующих диапазону окружных скоростей и2=394...546 м/с (условных чисел Маха Ми= 1,1... 1,6) и для 9-ти углов поворота лопаток ВНА относительно исходного положения в диапазоне Д0л=-15°...+ЗО° установлено, что эффективность регулирования (по КПД, производительности, отношению давлений, глубине регулирования) обеспечивается в диапазоне углов поворота лопаток ВНА относительно исходного положения +20°...-10° (+40°...+10° относительно осевого положения лопаток);

- разработана методика получения ГДХ АТ (отношения давлений, расхода воздуха, КПД) для различных углов поворота ВНА относительно исходной ГДХ с учетом особенностей высоконапорных осерадиальных РК, в частности: наличия предварительно установленного угла поворота лопаток ВНА потока перед РК в исходном положении; изменения структуры потока на выходе из РК (изменение направления потока Сщ)', влияния потерь в лопаточной решетке ВНА и угла отставания потока от лопаток ВНА на газодинамические параметры;

- разработана методология определения параметров АТ на базе высоконапорных РК с поворотными лопатками ВНА для заданных технических характеристик СУ;

- разработан алгоритм взаимосвязи между углами поворота лопаток ВНА регулируемого АТ и частотой вращения вала СУ с целью обеспечения требуемых эксплуатационных параметров с максимальной эффективностью.

- разработаны рекомендации по конструированию АТ с регулируемым ВНА, новизна которых подтверждена патентом на изобретение и двумя патентами на полезную модель.

Результаты проведенного экспериментального и теоретического исследования могут быть использованы при разработке центробежного АТ с регулируемым входным направляющим аппаратом.

Практическая ценность состоит в следующем:

- разработаны рекомендации по выбору угла поворота лопаток ВНА при изменении режима работы АТ;

- разработаны рекомендации по конструированию и расчёту АТ с регулируемым ВНА;

- показана возможность эффективного применения серийно выпускаемых авиационных центробежных компрессоров в АТ с регулируемым ВНА, в том числе в составе силовых агрегатов наземного применения;

- на основе проведенного анализа взаимосвязи ГДХ АТ с осерадиальным РК и регулируемым ВНА с характеристиками дизельного силового агрегата 6ДМ-21А разработаны рекомендации по углам поворота ВНА в зависимости от оборотов вала силового агрегата от 900 до 1500 об/мин, обеспечивающих увеличение максимальной мощности и крутящего момента от 2,9% (при п=1260 об/мин и Авл=+5°) до 11,2% (при п=1020 об/мин и Д0Л=+2О°) на режимах регулирования;

- результаты работы, а именно, результаты анализа экспериментальных исследований и методики определения ГДХ при изменении угла поворота лопаток ВНА внедрены и используются в ОАО «Омское моторостроительное конструкторское бюро».

Достоверность полученных в работе результатов подтверждается:

- применением в методике расчёта фундаментальных законов физики, газовой динамики, термодинамики, апробированных эмпирических зависимостей, обоснованным выбором расчётной схемы;

- применением современных измерительных приборов и оборудования, допущенных к применению Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии Министерства промышленности и энергетики РФ в соответствии с ПР 50.2.009-94-«Государственная система обеспечения единства измерений. Порядок проведения испытаний и утверждение типа средств измерений», аттестованных по ГОСТ Р 8.568-97-«Государственная

система обеспечения единства измерений. Аттестация испытательного оборудования»;

- применением автоматизированной информационно-измерительной системы при проведении и обработке экспериментальных исследований;

- удовлетворительным совпадением результатов расчёта ГДХ по разработанной методике с экспериментальными данными для двух исследованных авиационных турбокомпрессорных агрегатов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на XIV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике (Казань, 2007); на Международной научно-технической конференции "Энергосбережение в теплоэнергетике и теплоэлектротехнологиях" (Омск, 2010); на XV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике (Казань, 2011); на VIII Международной научно-технической конференции "Динамика систем, механизмов и машин" (Омск, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 6 тезисов докладов, 1 патент на изобретение, 2 патента на полезную модель.

Глава 1. Анализ современного состояния разработок в области регулируемых агрегатов турбонаддува и обоснование задач исследования.

Течение газа в проточных частях центробежных АТ имеет турбулентный характер. Кроме того, из-за сложной конфигурации поверхностей, образующих каналы проточной части, течение газа оказывается пространственным, трёхмерным. Для турбулентных пространственных потоков замкнутая система уравнений, описывающая такого рода течения, пока отсутствует. Если пренебречь влиянием вязкости газа на уравнения движения потока, то можно построить приближённую картину пространственного течения в элементах проточной части и определить силы, действующие со стороны потока на рабочие колёса и лопатки направляющих аппаратов. Однако потери энергии в проточной части в результате такого чисто теоретического расчёта определить нельзя. Поэтому невозможно вычислить на основании одних только расчётных данных к.п.д. проточной части и рассчитать и построить её газодинамические характеристики. Эту задачу можно решить только на основании экспериментальных данных.

Учитывая сложность и приближённость расчётов пространственных потоков в центробежных машинах, а также необходимость дополнения этих расчётов результатами экспериментов, целесообразно базировать инженерные термогазодинамические расчёты проточных частей центробежных АТ на сочетании упрощённых одномерных теоретических уравнений, описывающих основные закономерности движения газа в межлопаточных каналах и других элементах проточных частей, и опытных данных, полученных в результате экспериментальных исследований течений. Такой подход использован автором при разработке методики пересчёта газодинамических характеристик АТ с разными углами установки ВНА.

1.1 Анализ теоретических исследований в области регулируемых агрегатов турбонаддува.

Усовершенствованием эффек�