автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Разработка и исследование малоразмерного турбокомпрессора с парциальным регулированием турбины

РГБ ОД

На правах рукИ/ЯЙи ^^

МАГЗУМЬЯНОВ Радик Фаатовпч

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МАЛОРАЗМЕРНОГО ТУРБОКОМПРЕССОРА С ПАРЦИАЛЬНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ ТУРБИНЫ

Специальность 05.04.02 - "Тепловые двигатели"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

УФА 2000

Работа выполнена на кафедре "Двигатели внутреннего сгорания" Уфимского государственного авиационного технического университета

Научный руководитель - заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Б. П. Рудой

Официальные оппоненты - заслуженный деятель науки и техники РТ,

доктор технических наук, профессор Л. В. Горюнов

. заслуженный деятель науки и техники РБ доктор технических наук, профессор X. С. Гумеров

Ведущее предприятие: ОАО "КамАЗ", г.Набережные Челны

Защита диссертации состоится п22п С/кУИЛ 2000 г. в " " часов на заседании диссертационного совета К-063.17.04 по специальности 05.04.02 - Тепловые двигатели при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке университета.

Автореферат разослан " /7 " ЛШл£ 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

2Л1Г — ьЬ! ! I <0 —п\. Г)

^ г А.М. Смыслов

|2 , у—

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Турбонадцув в настоящее время рассматривается как неотъемлемая составная часть современных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с высокими удельными показателями. Турбокомпрессор обеспечивает подачу воздуха в цилиндры двигателя с плотностью, превышающей плотность окружающей среды. Это позволяет пропорционально увеличению воздуха увеличить количество сжигаемого топлива и, следовательно, мощность двигателя.

Достичь высоких удельных показателей комбинированных ДВС (КДВС), имеющих широкий диапазон рабочих режимов, удается только на определенном расчетном режиме в виду рассогласования характеристик воздухоснабже-ния турбокомпрессора и поршневой части. Поэтому режимы работы турбокомпрессора влияют на диапазон режимов работы самого ДВС. Для судовых двигателей или для двигателей электрических установок, работающих с постоянной нагрузкой и частотой вращения, согласование режима работы турбокомпрессора не представляет особых трудностей - требуется лишь согласование количества воздуха, необходимого для развития двигателем номинальной мощности. Для автомобильных и тракторных двигателей с малоразмерным турбокомпрессором (МТКР), работающих в широком диапазоне как скоростных, так и нагрузочных режимов, трудно обеспечить полезное взаимодействие обоих агрегатов. Поэтому при работе турбонаддувного двигателя на частичных режимах налитое турбокомпрессора в газовоздушном тракте приводит к ухудшению его эксплуатационных характеристик и увеличению удельного эффективного расхода топлива (&).

Одним из перспективных путей решения данной проблемы является регулирование турбонадцува. Однако на сегодняшний день отсутствуют досто-зерные данные о КДВС с высокоэффективными и, в то же время, высоконадежными в конструктивном исполнении способами регулирования. Известные ;пособы регулирования турбины с безлопаточным направляющим аппаратом ЪНА) в настоящее время недостаточно исследованы, они находятся в основном 1а стадии авторских свидетельств и патентов на изобретения.

Цель работы: Разработка и исследование турбины МТКР с расширенным диапазоном эффективной работы за счет установки парциальной заслонки* на зходе газов в Б НА турбины.

Задачи исследования: [. Теоретически обосновать возможность расширения диапазона эффективной работы турбины с регулируемым парциальной заслонкой БНА.

* Под термином "парциальная заслонка" подразумевается заслонка, которая при пово-юте изменяет степень парциальности радиально-осевой турбины.

2. Разработать МТКР с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины.

3. Экспериментально установить диапазон расширения эффективной работы турбины с регулируемым парциальной заслонкой БНА.

4. Установить зависимость располагаемой работы турбины от угла поворота парциальной заслонки.

5. Предложить методику проектирования МТКР с регулируемым парциальное заслонкой БНА турбины.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. В ДВС с МТКР возможно расширить диапазон эффективной работы турбины за счет установки подвижной парциальной заслонки на входе в специально профилированный БНА турбины.

2. Установлена экспериментальная зависимость располагаемой работы турбт ны от угла поворота парциальной заслонки (от степени парциальности).

Научная новизна:

1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возмог ность расширения диапазона эффективной работы турбины МТКР за счет:

- установки подвижной парциальной заслонки на входе газов в БНА с во; можностью поворота вокруг оси, параллельной оси вращения ротора турбины;

- специального закона изменения проходных сечений БНА турбины.

2. Впервые разработан МТКР с регулируемым парциальной заслонко БНА турбины (патент 2131981 РФ).

3. Впервые установлена экспериментальная зависимость располагаемо работы турбины от угла поворота парциальной заслонки.

4. Впервые предложена методика проектирования МТКР с регулируемы: парциальной заслонкой БНА турбины.

Практическая ценность: МТКР с регулируемым парциальной заслонкой БИ турбины позволяет по сравнению с нерегулируемым турбокомпрессором:

- уменьшить gc на частичных режимах работы КДВС;

- повысить среднее эффективное давление (Ре) на режиме максимального кр) тящего момента КДВС;

- расширить скоростной диапазон работы КДВС.

Предложенная методика проектирования МТКР с регулируемым парщ альной заслонкой БНА турбины позволяет произвести расчетные исследовани МТКР на стадии проектирования или дальнейшего совершенствования.

Практическая реализация. Результаты исследования используются в НТ1 Горьковского автомобильного завода и в КБ по турбонаддуву ОАО "Алтае дизель" при проектировании новых двигателей, а также при доводке серийн выпускаемых двигателей с турбонадцувом.

Методы и объекты исследования. В работе использовались эхспсримс1 тальные методы исследования двигателей ГАЗ-542Н (ОАО "1 A3") и Д-44

(ОАО "Алтайдизель"), ЗИЛ-645 (ОАО "ЗИЛ"), СМД-41 (завода "Серп и Молот", Украина), ЗД2Э (завода "Трансмаш", г.Барнаул) и 6ЧН12/14 (завода "Южди-зелшаш", Украина). Базой при разработке и исследованиях регулируемого МТКР служил нерегулируемый ТКР-7Н-1 (ОАО "КамАЗ").

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на Международных научно-технических конференциях "Механика машиностроения" (г.Набережные Челны, 1995 , 1997 гг.), "Молодая наука - новому тысячелетию " (г.Набережные Челны, 1996 г.) и на Всероссийской молодежной научно-технической конференции "Проблемы энергомашиностроения" (г. Уфа , 1996 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 5 печатных работ, 1 патент на изобретение и 5 авторских свидетельств.

Структура и объем диссертации . Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 92 наименований, 3 приложений, изложена на 102 страницах машинописного текста , содержит 36 рисунков, 3 таблицы.

Основное содержание работы.

В первой главе дан обзор и анализ литературы, обоснована необходимость регулирования режимами работы турбины с целью расширения диапазона эффективной работы, представлены различные способы регулирования, показаны их преимущества и недостатки, а также сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрено изменение расхода воздуха КДВС по частоте вращения коленчатого вала. Секундный расход воздуха поршневой части четырехтактного двигателя (без учета продувки):

где п—частота вращения коленчатого вала; Vh - рабочий объем цилиндров;

Tiv = const - коэффициент наполнения (для упрощения расчетов принят постоянным);

Pt и Tt - параметры воздуха на входе в цилиндры.

— Cj

Введем обозначение: GB = ——-—, (2)

где Овном(бсзшщ) ~ расход воздуха безнаддувного двигателя на номинальном режиме.

«А

_ т

Отсюда: 1) для турбонаддувного двигателя GB =--—; (3)

„ Ро

2) для безнаддувного двигателя

бсэнод)

(4)

С целью определения изменения расхода воздуха по частоте вращени коленчатого вала и влияния его на основные параметры КДВС рассмотрен! внешние скоростные характеристики двигателя ГАЗ-542Н при разных началь ных проходных сечениях (Р0) БНА турбины, полученные автором эксперимен тальным путем (см.рис.1). Из анализа рис.1 видно, что для повышения мощно стно-экономических показателей двигателя ГАЗ-542Н на режиме номинально; мощности нужен БНА турбины с ¥0~ 12 см2, а на режиме максимального кр> тящего момента - Ео = 8 см2. Необходимо отметить, что площади проходных се чений БНА по периметру улитки профилировались согласно зависимости (11' Следовательно, повышение мощностно-экономических показателей во все! диапазоне рабочих режимов двигателя ГАЗ-542Н достигается при переменны значениях Р0 БНА турбины.

необходимый расход Вогдиха

\

\ У / /1

\

\ У У г

У г г-"

у ¿у

4 /у Ге'

А У ✓

щ

1000

1800

2600 Пмнн' 0,5 0,5 0,7 0,8 0$ 1.0

п./п.

НО)

Рис.1. Внешние скоростные харакгери- Рис.2. Зависимости изменения расхо; стики двигателя ГАЗ-542Н при разных Р0 воздуха двигателя ГАЗ-542Н от частот БНА турбины: вращения коленчатого вала:

1 - безнаддувного двигателя;

2 - Бо =12 см2; 3 -Б0 =10 см2; 4 -Бо =8 см2

- Бо = 12 см2; •Р0 = 10 см2; ■ Р0 = 8 см2.

На рис.2 представлены зависимости изменения расхода воздуха двигате; ГАЗ-542Н от частоты вращения коленчатого вала при разных Р0 БНА турбин и безнаддувного двигателя. Из анализа рис.2 видно, что чем меньше Б0 БН

турбины, тем выше расход воздуха, что связано с повышением работы турбины и увеличением частоты вращения ротора МТКР. Однако, как было показано на рис.1, для данного двигателя на режиме номинальной мощности необходим такой расход воздуха, который обеспечивает БНА турбины с Бо = 12 см2, а на режиме максимального крутящего момента - с Бо = 8 см2. Следовательно, необходимый расход воздуха турбонаддувного двигателя должен изменяться по частоте вращения коленчатого вала пропорционально изменению расхода воздуха безнадцувного двигателя, но в некоторых завышенных значениях (на рис.2 показано пунктиром). Такое изменение расхода воздуха должны обеспечивать регулируемые турбины, т.е. диапазон ее эффективной работы должен быть таким, чтобы обеспечить необходимый расход воздуха во всем диапазоне рабочих режимов двигателя.

В диссертации высказана научная гипотеза о том, что в МТКР возможно расширить диапазон эффективной работы турбины за счет установки подвижной парциальной заслонки на входе газов в специально профилированный БНА турбины. Эта гипотеза основывается на следующих предпосылках:

Во-первых, был рассмотрен БНА турбины, в котором на входе газов уста-

Для упрощения расчетов введены следующие допущения:

- газ идеальный;

- газ несжимаемый;

- распределение параметров потока на выходе из БНА равномерное;

- параметры потока на входе в БНА и в каждом сечении улитки постоянны.

На рис.3 видно, что {За<р ~ (5)

(рн

Из уравнения сохранения момента количества движения имеем:

Г0Сои = ГфС(!Ш = Г ¡С,ц (6)

Из уравнения неразрывности (для идеального газа):

РоСои=РфСфи=271Ь]Г1С1г (7)

После несложных преобразований получаем соотношение:

^о Р<Р

anarctg^ -arctg -const

(8)

Следовательно при повороте заслонки на угол ф угол выхода газов из БНА oil можно сохранять в пределах расчетного значения, а степень

парциальности турбины будет равна е = ^ ^ (9)

Соотношение (8) получено с вышеуказанными допущениями. Для реальных условий необходимо экспериментально определить F^ и гф БНА по периметру улитки (т.е. профилировать БНА турбины) с целью сохранения угла Ki в пределах расчетного значения.

Во-старых, был проведен анализ потерь в БНА как в нерегулируемой, так и регулируемой парциальной заслонкой турбинах. Кроме общих потерь, в нерегулируемой турбине будут потери из-за отклонения cti от расчетного значения. Результаты работ многих исследователей (Каминского В.Н., Гатауллина H.A. и др.) показывают, что при работе автомобильных двигателей с турбонад-дувом значение угла otj колеблется в пределах от 17°до 30°. Причем на частичных режимах работы двигателя значение угла oci увеличивается. В работах других исследователей, в частности, Савельева Г.М., Зайченко E.H. и др., установлено, что при отклонения угла ai до 30° к.п.д. турбины снижается до 13%.

В-третьих, при регулировании турбины парциальной заслонкой потери из-за отклонения угла ai будут отсутствовать, т.к. угол ai сохраняется в пределах расчетного значения согласно уравнения (8). Однако в регулируемой парциальной заслонкой турбине будут потери из-за парциальности. Например, предположим, что для работы двигателя на режиме максимального крутящего момента с сохранением et] в пределах расчетного значения необходимо повер-

нуть заслонку ка угол 60° в сторону перекрытия проходного сечения турбины и степень парциальности турбины согласно (9) составит е=0,83. При этом к.п.д турбины снижается до 4% (работы Шерстюка А.Н. и Зарянкина А.Е.).

Следовательно, при регулировании турбины парциальной заслонкой можно ожидать расширения ее диапазона эффективной работы при незначительном снижении к.п.д. по сравнению с нерегулируемым вариантом.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям по профилированию Б НА и разработке МТКР с регулируемым парциальной заслонкой Б НА турбины.

Известно, что при расчетных углах а] достигаются минимальные значения Цс. Поэтому критерием оценки при профилировании БНА был выбран минимальный Экспериментальные исследования ТКР-7Н-1 с разным Б, БНА проводились на следующих КДВС: автомобильных двигателях ГАЗ-542Н и ЗИЛ-645, тракторных двигателях СМД-41 и Д-442, судовых .двигателях 3,Д23 и 6ЧН12/14.

Результаты исследований при изменении радиуса гф по периметру улитки не представлены ввиду его незначительного изменения и влияния на а].

Исследованиям подвергались корпуса турбин с БНА, у которых Р„ по периметру улитки определены по вариантам "а","б","в" (см.рис.4)

Рт

0,75

Ц5

0,25

а

5.

Ч N

60

120

то

г^о

300

360

Г

Рис.4. Изменения площадей проходных сечений БНА турбины по периметру улитки.

Вариант "а" (описан в работе Савельева Г.Н. и Стефановского Б.С.) основан на предположении, что поток газов вытекает из БНА равномерно уменьшаясь по периметру улитки, т.е. по закону изменения площади:

Гг=Го-(360-<р)/360 (10)

Результаты экспериментов показали, что:

- применение БНА по варианту "б" в сравнении с БНА по варианту "а" улучшает на 2+3 г/кВт-ч. на режиме номинальной мощности и ухудшает его на 7+10 г/кВт-ч. на режиме максимального крутящего момента. Таким образом, БНА по варианту "б" можно рекомендовать для двигателей, работающих с постоянной нагрузкой и частотой вращения коленчатого вала, например, для судовых двигателей ЗД2Э и 6ЧН12/14.

- применение БНА по варианту "в" в сравнении с БНА по варианту "а" ухудшает & на 2+3 г/кВт-ч. на режиме номинальной мощности и улучшает его на 7+10 г/кВт-ч. на режиме максимального крутящего момента. Следовательно, БНА по варианту "в" необходимо использовать на двигателях, работающих в широком диапазоне рабочих режимов, в частности, на дзигателях ГАЗ-542Н, Д-442, ЗИЛ-645, СМД-41.

Для данных КДВС закон профилирования БНА может быть описан следующей зависимостью:

=Бо(1-0,0058ф+0,000015Зср2-1,95 8-10"8ф3) (11)

Кроме того, при повороте парциальной заслонки на одинаковый угол (см.рис.З) Бо БНА турбины изменяется в большем диапазоне (вариант "в" на рис.4). Последние выводы положены в основу при разработке конструкции регулируемого МТКР.

Разработанный МТКР с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины представлен на рис.5. Парциальная заслонка 1 жестко соединена с передаточным валом 4, который установлен в корпусе 5 МТКР параллельно оси вращения ротора турбины 7. Передаточный вал 4 со стороны компрессора 6 жестко соединен с рычагом 8, размещенным в выемке 9 промежуточного корпуса 5 и шарнирно связанным со штоком 10 регулирующего механизма 11. Причем регулирующий механизм И расположен с внешней стороны корпуса МТКР. Необходимо отметить, что выполненная таким образом конструкция имеет следующие преимущества:

- выбрав соответствующим образом ось поворота парциальной заслонки, можно обеспечить закон изменения проходных сечений БНА турбины согласно зависимости (11);

- узел поворота (передаточный вал 4 и отверстие в корпусе 5) подвержен минимальным температурным нагрузкам вследствие того, что корпус 5 охлаждается маслом при смазывании подшипника скольжения ротора МТКР;

- на передаточный вал 4 действуют осевые усилия от давлений со стороны компрессора и турбины, которые примерно одинаковы, вследствие чего передаточный вал 4 разгружается от осевых усилий;

- передаточный вал 4 выполняется минимального диаметра исходя из условия прочности конструкции, поэтому менее подвержен заклиниванию из-за

Рис.5. МТКР с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины

объемных температурных расширений;

- выбрав соответствующим образом длины рычагов 3 и 8, можно улучшить динамику регулирования (т.е. быстроту реагирования на сигнал регулирующего механизма).

Регулирующим механизмом И мо1уг служить гидро-, пневмо- и электроприводы.

В частности, для регулирования положением заслонки был предложен регулирующий механизм (патент 2131981 РФ), конструктивная схема которого представлена на рис.ба.

а)

б)

Рис.6. Регулирующий механизм и изменение расхода воздуха КДВС, представленная на характеристике компрессора ТКР-7Н-1.

Сжатый воздух подается в нижнюю подмембранную полость 1 и до достижения определенного значения избыточного давления шток 2 удерживается усилием пружины 3. При этом положении заслонки площадь Р0 имеет минимальное значение (линия АВ на рис.66). Как только давление наддува превысит определенное значение избыточного давления (на режиме максимального крутящего момента КДВС), шток 2 перемещается и сжатый воздух подается в верхнюю подмембранную полость 4. Ввиду того, что площадь верхней под-мембранной полости 4 больше, чем нижней, усилие от давления над дува увеличивается, шток 2 перемещается вверх, что в свою очередь приводит к повороту парциальной заслонки в сторону увеличения Р0 БНА турбины (линия ВС на рис.66). Таким образом, данный регулирующий механизм регулирует расход воздуха по значениям одного параметра - давления наддува, что позволяет повысить Ре на режиме максимального крутящего момента, но не улучшает & на частичных режимах работы КДВС.

В четвертой главе приводятся описание испытательного стенда, средств измерения и оценка погрешности измерений, методика обработки опытных данных и сами результаты исследования.

Разработана методика исследований КДВС с регулируемым парциальной

заслонкой Б НА турбины на испытательном стенде, позволяющая определить минимальные значения & во всем диапазоне рабочих режимов КДВС. Особенность методики состоит в том, что при снятии нагрузочной характеристики на каждом конкретном рабочем режиме (т.е. при постоянстве частоты вращения коленчатого вала и расхода топлива) определяется угол поворота заслонки (Б0 БНА турбины), при котором крутящий момент имеет максимальное значение.

Результаты исследований КДВС с регулируемым и нерегулируемым БНА турбины представлены на рис.7 в виде многопараметровых характеристик двигателей ГАЗ-542Н и Д-442.

Рис.7. Многопараметровые характеристики двигателей: а) ГАЗ-542Н; б) Д-442

—о--. с нерегулируемым турбокомпрессором;

—#--с регулируемым турбокомпрессором.

Из анализа результатов на рис.7 видно, что при применении МТКР с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины:

- уменьшается & на частичных режимах работы КДВС;

- повышается Ре на режиме максимального крутящего момента КДВС;

- расширяется скоростной диапазон работы КДВС.

Проведенные исследования позволили также определить Р0 БНА турбины, обеспечивающие минимальные значения & при работе КДВС во всем диапазоне рабочих режимов. Линии постоянных значений Р0 БНА нанесены на многопараметровой характеристике (см.рис.7). Необходимо отметить, что для получения в эксплуатационных условиях Рс БНА, обеспечивающих минимальный ^ во всем диапазоне рабочих режимов КДВС, нужно регулировать положение парциальной заслонки по значениям двух параметров: частоты вращения коленчатого вала и Ре (крутящего момента).

По результатам экспериментального исследования МТКР с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины на двигателе ГАЗ-542Н определена зависимость изменения расхода воздуха от частоты Еращения коленчатого вала (см.рис.8). Из анализа рис.8 видно, что расход воздуха КДВС при регулирова-

1.0 0,8 OA Ф 02

0,5 0,6 0/ 0,8 Д9 1,0

п-/п-ноп

Рис.8. Зависимость изменения расхода воздуха двигателя ГАЗ-542Н от частоты вращения коленчатого вала:

1- действительный расход воздуха при регулировании турбонадцува;

2- расчетный расход воздуха при регулировании турбонадцува;

3- расход воздуха безнаддувного двигателя.

'Ч>

w

к 1,0

0,6 02

1

i

г* Г" Й

■и сЛ г of i

10 21 —1 ■ 1 г 9 t 0 5 0 60

1,0 QJM 0,£84 0,855 8

Рис.9. Зависимость располагаемой работы турбины Aijy от угла поворота заслонки ф° (степени парциальности ё) -двигатель ГАЗ-542Н на различных нагрузках: о - п = 1400 мин"1; □- п = 1600 мин"1; Д - п = 1800 мин"1; 0- п = 1400 мин"1; V-n = 2400 мин"1; двигатель Д-442 на различных нагрузках: • - п = 1300 мин"1; И - п = 1500 мин"1;

А-п= 1750 мин"1;

нии изменяется по частоте вращения коленчатого вала также, как и изменение расхода воздуха безнаддувного двигателя, но только при более высоких значениях. Разность этих расходов ( Л(?3 на рис.8) определяет степень форсирован-ности данного двигателя.

По результатам экспериментального исследования МТКР с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины на двигателях ГАЗ-542Н и Д-442 определена зависимость располагаемой работы турбины М^ от угла поворота заслонки ф, которая представлена на рис.9.

Погрешность определения М^ составляла 3,3%. В результате обобщения опытных данных получена зависимость АЬ^ от угла ф в виде:

= 1 +0,0161ф - 0,00011ф2.

(12)

Полученные экспериментальные данные при исследовании двигателей ГАЗ-542Н и Д-442 показали, что зависимость (12) для различных двигателей идентична.

'ис.10. Методика проектирования МТКР с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины.

Многочисленные работы других авторов, в частности, Ханина Н.С., Шер-лтока А.Н. и др.,показали, что существующие турбины работают в автомо-

дельной области по числу Re. В радиально-осевых турбинах в соответствующих точках проточной части разных типоразмеров скорости течения газоъ примерно одинаковы. Следовательно, происходящие в них процессы подобны и результаты исследования, обобщенные зависимостью (12), можно распространить на другие турбокомпрессоры данного типа.

Исходя из вышесказанного, предложена методика проектирования МТКР с регулируемым парциальной заслонкой БИА турбины, которая представлена на рис.10.

Основные результаты и выводы

1. Теоретически обоснована и практически подтверждена возможность расширения диапазона эффективной работы турбины до 19% по расходу газа за счет установки парциальной заслонки на входе газов в Б НА турбины.

2. Установлен специальный закон профилирования БНА для регулируемых парциальной заслонкой турбин, заключающийся в неравномерном изменении площадей проходных сечений по периметру улитки.

3. Разработан и исследован МТКР с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины и защищен патентом на изобретение.

4. Предложена методика экспериментального исследования КДВС с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины на испытательном стенде.

5. Установлено, что при применении МТКР с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины:

- уменьшается ge на частичных режимах работы двигателя ГАЗ-542Н до 7.6% и двигателя Д-442 до 8,8 %;

- повышается Ре на режиме максимального крутящего момента двигателя ГАЗ-542Н до 4,6% и двигателя Д-442 до 5,2%;

- расширяется скоростной диапазон работы двигателя ГАЗ-542Н до 8,5% и двигателя Д-442 до 8%.

6. Получена экспериментальная зависимость располагаемой работы турбины от угла поворота парциальной заслонки.

7. Предложена методика проектирования МТКР с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. A.c. 1191611 СССР МЕСИ F02B37/02. Преобразователь импульсов давления для выпускной системы двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом./ Михайлов В.Д., Магзумьянов Р.Ф. Опубл. 15.11.1985. Бюл. №42.2с.

2. A.c. 1401152 СССР МКИ F02D23/00, F02B37/00. Устройство для наддува двигателя внутреннего сгорания./ Магзумьянов Р. Ф. Опубл. 07.06.1988. Бюл. №21. 2с.

3. A.c. 1455003 СССР МКИ F02B37/02. Преобразователь импульсов давления для выпускной системы двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом. / Магзумьянов Р. Ф. Опубл. 30.01.1989. Бюл. №4.2с.

4. A.c. 1477921 СССР МКИ F02B37/02. Устройство для подвода отработавших газов двигателя внутреннего сгорания к турбине турбокомпрессора. / Каминский В.Н., ЛюгаринМ.М., Магзумьянов Р.Ф. Опубл. 07.05.1989. Бюл. №17. 2с.

5. А.с 1650917 СССР МКИ F01D17/14, F04D27/00. Турбокомпрессор. / Каминский В.Н., Люгарин М.М., Магзумьянов Р.Ф. 0публ.23.05.1991. Бюл. №19.8с.

6. Магзумьянов Р. Ф. Разработка турбокомпрессора с регулируемым безлопаточным направляющим аппаратом турбины// Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Механика Машиностроения", г. Наб. Челны, КамПИ, 1995.-С.68-69.

7. Магзумьянов Р. Ф. Использование турбокомпрессора с изменяемой геометрией безлопаточного направляющего аппарата турбины в автотракторных дизелях. // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Механика машиностроения" г. Наб.Челны, КамПИ ,1995. -с.67-68.

8. Магзумьянов Р. Ф. Испытания турбокомпрессора с регулируемым БНА турбины в полевых условиях. // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Молодая наука - новому тысячелетию", г. Наб.Челны, КамПИ, 1996. -с. 178.

9. Магзумьянов Р. Ф. Разработка и исследование турбокомпрессора с регулируемым безлопаточным направляющим аппаратом турбины. //Тезисы докладов Всероссийской молодежной научно-технической конференции "Проблемы энергомашиностроения ", г. Уфа, УГАТУ, 1996.-с.9.

Ю.Магзумьянов Р. Ф. Зависимость удельной адиабатной работы турбины от угла поворота заслонки регулируемого турбокомпрессора //Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Механика машиностроения" г. Наб.Челны, КамПИ, 1997. -с.78-79.

11. Патент 2131981 РФ МКИ 6F02B37/22. Устройство для регулирования давления наддува двигателя внутреннего сгорания. / Магзумьянов Р. Ф. Опубл. 20.06.1999. Бюл.№ 17. 8с.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ

ВОПРОСА

1.1. Влияние турбоиаддува на основные показатели комбинированных двигателей внутреннего сгорания

1.2. Способы регулирования турбонаддува двигателей внутреннего сгорания

1.2.1. Использование поворотных лопаток лопаточного направляющего аппарата турбины

1.2.2. Изменение площадей проходного сечения безлопаточного направляющего аппарата турбины

1.3. Краткий анализ состояния вопроса

1.4. Постановка задач на исследование

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА В РЕГУЛИРУЕМОМ БЕЗЛОПАТОЧНОМ НАПРАВЛЯЮЩЕМ АППАРАТЕ ТУРБИНЫ

2.1. Расход воздуха через поршневую часть двигателя

2.2. Регулируемый безлопаточный направляющий аппарат

ГЛАВА 3. МАЛОРАЗМЕРНЫЙ ТУРБОКОМПРЕССОР С ПАРЦИАЛЬНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ ТУРБИНЫ

3.1. Профилирование безлопаточного направляющего аппарата

3.2. Разработка малоразмерного турбокомпрессора с парциальным регулированием турбины

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАЛОРАЗМЕРНОГО ТУРБОКОМПРЕССОРА С ПАРЦИАЛЬНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ ТУРБИНЫ НА АВТОТРАКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

4.1. Цель и выбор объектов исследования

4.2. Замеряемые величины и измерительные приборы. Погрешность измерений

4.3. Методика проведения исследований и обработки экспериментальных данных. Результаты исследований

4.4. Сравнение с результатами теоретического исследования

Турбонаддув в настоящее время рассматривается как неотъемлемая составная часть современных двигателей внутреннего сгорания с высокими удельными показателями. Турбокомпрессор обеспечивает подачу воздуха в цилиндры двигателя с плотностью, превышающей плотность окружающей среды. Это позволяет пропорционально увеличению воздуха увеличить количество сжигаемого топлива и, следовательно, мощность двигателя.

Достичь высоких удельных показателей комбинированных ДВС, имеющих широкий диапазон рабочих режимов, удается только на определенном расчетном режиме в виду рассогласования характеристик воздухоснабжения турбокомпрессора и поршневой части. Поэтому режимы работы турбокомпрессора влияют на диапазон режимов работы самого ДВС. Для судовых двигателей или для двигателей электрических установок, работающих с постоянной нагрузкой и частотой вращения, согласование режима работы турбокомпрессора не представляет особых трудностей - требуется лишь согласование количества воздуха, необходимого для развития двигателем номинальной мощности. Для автомобильных и тракторных двигателей с малоразмерным турбокомпрессором, работающих в широком диапазоне как скоростных, так и нагрузочных режимов, трудно обеспечить полезное взаимодействие обоих агрегатов. Поэтому при работе турбонаддувного двигателя на частичных режимах наличие турбокомпрессора в газовоздушном тракте приводит к ухудшению его эксплуатационных характеристик и увеличению удельного эффективного расхода топлива.

Одним из перспективных путей решения данной проблемы является регулирование турбонаддува. Однако на сегодняшний день отсутствуют достоверные данные о КДВС с высокоэффективными и, в то же время, высоконадежными в конструктивном исполнении способами регулирования. Известные способы регулирования турбины с безлопаточным направляющим аппаратом (БНА) в настоящее время недостаточно исследованы, они находятся в основном на стадии авторских свидетельств и патентов на изобретения.

Целью настоящей работы явились разработка и исследование турбины малоразмерного турбокомпрессора с расширенным диапазоном эффективной работы за счет установки парциальной заслонки* на входе газа в БНА.

Научная новизна:

1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность расширения диапазона эффективной работы турбины малоразмерного турбокомпрессора за счет:

- установки подвижной парциальной заслонки на входе газа в БНА с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оси вращения ротора турбины;

- специального закона изменения проходных сечений БНА турбины.

2. Впервые разработан малоразмерный турбокомпрессор с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины (патент 2131981 РФ).

3. Впервые установлена экспериментальная зависимость располагаемой работы турбины от угла поворота парциальной заслонки.

4. Впервые предложена методика проектирования малоразмерного турбокомпрессора с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины.

Практическая значимость работы: 1. Малоразмерный турбокомпрессор с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины позволяет по сравнению с нерегулируемым турбокомпрессором:

- уменьшить удельный эффективный расход топлива на частичных режимах работы КДВС;

- повысить среднее эффективное давление на режиме максимального крутящего момента КДВС;

- расширить скоростной диапазон работы КДВС. Под термином "парциальная заслонка" подразумевается заслонка, которая при повороте изменяет степень парциальности радиально-осевой турбины.

2. Предложенная методика проектирования малоразмерного турбокомпрессора с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины позволяет произвести расчетные исследования малоразмерного турбокомпрессора на стадии проектирования или дальнейшего совершенствования.

Практическая реализация.

Результаты исследования используются в НТЦ Горьковского автомобильного завода и в КБ по турбонаддуву ОАО "Алтайдизель" при проектировании новых двигателей, а также при доводке серийно выпускаемых двигателей с турбонаддувом.

Методы и объекты исследований.

В работе использовались экспериментальные методы исследований двигателей ГАЗ-542Н (ОАО ТАЗ"), Д-442 (ОАО "Алтайдизель"), ЗИЛ-645 (АМО "ЗИЛ"), СМД-41 (завода "Серп и Молот", Украина), ЗД2Э (завода "Трансмаш", г.Барнаул) и 6ЧН12/14 (завода "Юждизельмаш", Украина). Базой при разработке и исследованиях регулируемого малоразмерного турбокомпрессора служил нерегулируемый турбокомпрессор ТКР-7Н-1 (ОАО "КамАЗ").

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Теоретически обоснована и практически подтверждена возможность расширения диапазона эффективной работы турбины до 19% по расходу газа за счет установки парциальной заслонки на входе газов в БНА турбины.

2. Установлен специальный закон профилирования БНА для регулируемых парциальной заслонкой турбин, заключающийся в неравномерном изменении площадей проходных сечений по периметру улитки.

3. Разработан и исследован малоразмерный турбокомпрессор с парциальным регулированием турбины и защищен патентом на изобретение.

4. Предложена методика экспериментального исследования КДВС с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины на испытательном стенде.

5. Установлено, что при применении малоразмерного турбокомпрессора с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины:

- уменьшается удельный эффективный расход топлива на частичных режимах работы двигателя ГАЗ-542Н до 7.6% и двигателя Д-442 до 8,8 %;

- повышается среднее эффективное давление на режиме максимального крутящего момента двигателя ГАЗ-542Н до 4,6% и двигателя Д-442 до 5,2%;

- расширяется скоростной диапазон работы двигателя ГАЗ-542Н до 8,5% и двигателя Д-442 до 8%.

6. Получена экспериментальная зависимость располагаемой работы турбины от угла поворота парциальной заслонки.

7. Предложена методика проектирования малоразмерного турбокомпрессора с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины.

1. Высокий наддув дизелей / Н.Н.Иванченко, О.Г.Красовский, С.С.Соколов.-Л.Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1983.-198с.,ил.

2. Гатауллин Н.А. Разработка, исследовательские испытания и доводка малоразмерных турбокомпрессоров // Дисс.канд.техн.наук.-Казань, КГТУ им.А.Н.Туполева.1998.

3. Губарев А.В., Филипов Г.А., Лазарев Л.Я., Пандья А.Д. Методика проектирования и результаты исследования безлопаточного направляющего аппарата для радиально-осевых турбин.//Изв.ВУЗов. Авиационная техника,1962,- №2. С.113-123.

4. Губарев А.В., Филиппов Г.А., Пандья А.Д. Безлопаточный направляющий аппарат для центростремительных турбин.// Энергомашиностроение.1963,-№2,- С. 38-39.

5. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей /Под ред. А.С.Орлина, М.Г. Круглова М.: Машиностроение, 1983.372с.

6. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний. ГОСТ 14846-81.

7. Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний. ГОСТ 18461-81.

8. Дехович Д.А. Расчет потока в безлопаточной части соплового аппарата радиальной турбины. // Энергомашиностроение.-1966.- №8.- С. 24-26.

9. Дорменев С.И., Банник А.П., Коваль И.А., Моргулис Ю.Б. Тракторные моторно-трансмиссионные установки с двигателями постоянной мощно-сти.-М. Машиностроение, 1987.-184с.

10. Драгунов Г.Д., Васильев Е.Ж. Учет потерь в радиально-осевой турбине при расчете ее характеристик. //Сб.Научных трудов Челябинского политехнического института. -1979.-№233.-С.55-59

11. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям.-М. Машиностроение, 1975.-559с.

12. Каминский В.Н. Научные основы создания малоразмерных турбокомпрессоров для быстроходных транспортных двигателей. //Дисс.доктора техн.наук.-КамАЗ, Набережные Челны, 1986.-417с.

13. Каминский В.Н., Люгарин М.М., Магзумьянов Р.Ф. Турбокомпрес-сор./А.с. №1650917 СССР МКИ Р01Д17/04, F04B27/00. Опубл.23.05.1991.Бюл. №19.8с.

14. Кострынин В.Ф. Течение газа в кольцевом канале безлопаточного направляющего аппарата радиальной турбины. //Труды ЦНИИМФ,- 1965,- Вып. 62,- С. 28-33.

15. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. :Справочник,- 4-е изд., перераб. и доп.- Л.Машиностроение,1989.-701 с.

16. Кругов В.И., Рыбальченко А.Г. Регулирование турбонаддува ДВС. -М.:Высшая школа, 1978.-213с.

17. Левкович С.Л., Тихоненко А.Т., Тихоненко Н.С. Методика определения мгновенного расхода газа через импульсную турбину. //Сб. "Двигатели внутреннего сгорания"ХГУ.-1983.-Вып.38-С.55-64.

18. Локай В.И., Максутова М.К., Стрункин В.А. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. -М.Машиностроение,!979.-447с.

19. Магзумьянов Р.Ф. Устройство для регулирования давления наддува двигателя внутреннего сгорания./Патент на изобретение №2131981 РФ МКИ 6F02B37/22. Опубл. 20.06.1999. Бюл.№17,8с.

20. Магзумьянов Р.Ф. Устройство для наддува двигателя внутреннегосгорания. /А.с. №1401152 СССР МКИ. Р02Д23/00, F02B37/00. Опубл. 07.06.1988. Бюл.№21.2с.

21. Магзумьянов Р.Ф. Разработка турбокомпрессора с регулируемым безлопаточным направляющим аппаратом турбины // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Механика машиностроения" г.Наб. Челны. КамПИ, 1995.С. 68-69.

22. Магзумьянов Р.Ф. Испытания турбокомпрессора с регулируемым БНА турбины в полевых условиях. // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Молодая наука новому тысячелетию". г.Наб. Челны. КамПИ, 1996. С. 178.

23. Магзумьянов Р.Ф. Разработка и исследование турбокомпрессора с регулируемым безлопаточным направляющим аппаратом //Тезисы докладов Все-росийской молодежной научно-технической конференции "Проблемы энергомашиностроения" г.Уфа. УГАТУ, 1996. С.9.

24. Магзумьянов Р.Ф. Зависимость удельной адиабатной работы турбины от угла поворота заслонки регулируемого турбокомпрессора // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Механика машиностроения". г.Наб.Челны. КамПИ, 1997.С.78-79.

25. Петунин А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока.-М.Машиностроение, 1972.-332 с.

26. Преображенский В.Н. Теплотехнические измерения и приборы. :Учебник для ВУЗов.-3-е изд.,перераб.-М.: Энергия,1978,- 704 с.

27. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. ГОСТ 8.207-76.

28. Рудой Б.П. Прикладная нестационарная гидрогазодинамика.

29. Учебное пособие,- Уфа, УАИ, 1988.- 184 с.

30. Рудой Б.П. Теория газообмена ДВС: Учебное пособие. -Уфа, УАИ, 1978,- 109 с.

31. Савельев Г.Н., Стефановский Б.С. Проектирование турбокомпрессоров: Учебное пособие.- Ярославль :ЯПИ, 1977.-90с.

32. Савельев Г.Н., Лямцев Б.Ф., Аболтин Э.В. Опыт доводки и производства турбокомпрессоров автомобильных дизелей :Учебное пособие. -М., 1986.-94с.

33. Савельев Г.Н., Зайченко Е.Н., Озимов П.Л., Лямчев Б.Ф. Влияние угла входа потока в колесо на характеристику малоразмерной центростремительной турбины. //Энергомашиностроение.-1975.№3.-С.35-37.

34. Селезнев К.П., Подобуев Ю.С., Анисимов С.А. Теория и расчет тур-бокомпрессоров.//Машиностроение,- Л.,1968,- 408 с.

35. Системы регулирования давления наддува тракторных и комбайновых дизелей: Обзорная информация ЦНИИТЭИ тракторсельхозмаш,-Сер."Тракторы и двигатели". М., 1982,-Вып.З.-40с.

36. Системы и агрегаты газотурбинного наддува двигателей промышленных тракторов: Обзорная информация ЦНИИТЭИ тракторсельхозмаш,-Сер."Тракторы и двигатели".-М., 1982. -Вып. 16. -56 с.

37. Скув Э. Наддув двигателей внутреннего сгорания и расчет их мощ-ности.-М.,1978.-ВЦП № А-438228.-52 с.

38. Современные устройства для регулирования наддува двигателей внутреннего сгорания тракторов и сельскохозяйственных машин: Обзорная информация ЦНИИТЭИ тракторсельхозмаш.-Сер."Тракторы, самоходные шасси и двигатели, агрегаты и узлы".-М.,1979.-Вып.17-37с.

39. Степанов Г.Ю. Основы теории лопаточных машин, комбинированных и газотурбинных двигателей. -М.: Машгиз, 1958,- 350 с.

40. Турбонаддув современных бензиновых двигателей : Обзорная информация НИИавтопрома.-Сер. "Автомобильные двигатели и топливная аппаратура".-М. ,1982.-44с.

41. Турбомашины и МГД-генераторы газотурбинных и комбинированных установок. В.С.Бекнев, В.Е.Михальцев, А.Б.Шаберов, Р.А.Янсон. М. Машиностроение,1983,-392с.,ил.

42. Ханин Н.С., Шерстюк А.Н., Зайченко Е.Н., Динеев Ю.Н. Наддув и нагнетатели автомобильных двигателей. -М.Машиностроение,1965.-219с.

43. Хачиян А.С., Морозов К.А. И др. Двигатели внутреннего сгорания.-М.:Высшая школа, 1985.- 311 с.

44. Холщевников К.В., Емин О.Н., Митрохин В.Т. Теория и расчет авиационных лопаточных машин.-М.: Машиностроение, 1986. -432с.

45. Хуциев А.И., Широких Э.В. Способ работы дизелей с высоким наддувом и автоматически изменяемой степенью сжатия.//Двигателестроение.-М., 1986.-№10.- с.7-9.

46. Циннер К. Наддув двигателей внутреннего сгорания. -JL: Машиностроение, 1978.-264 с.

47. Шерстюк А.Н., Зарянкин А.Е. Радиально-осевые турбины малой мощности.-М.Машиностроение, 1976,- 208 с.

48. Dale A., Watson N. Vaneless radial turbocharger turbine perfomange.//J. Mench. E., Conference turbochangers and turbocharging,1986. Paper с 110/86.

49. Egli H. Evolution and outlokk of turbochar-gers for vehicle engines.//J. Mech. E.,Conference Turbochargers and Turbocharging, 1986. Paper С 115/86.

50. Holzhausen G.H.,Alfand D.L. Powertransfer to improve transient response of a turbocharged diesel engine.//JMech. E.,Conference Turbochargers and Tur-bochrging, 1982, Paper C41/82.

51. Franklin P.C. Walsham B.E. Variable geometry turbochargers in the field.//J.Mech. E., Conference Turbochargers and Turbocharging, 1986. Paper С 121/86.

52. Laschko V.A. Berechnung der instationaren Stromung im Abgassystem eines aufgeladenen Verbrennungsmotors mit Multistos- Converter."Wiss.Z. Wilheim-Pieck-Univ. Rostok. Natur-Wiss. R." 34.Jahrgang.1985. Heft 8. s. 26-30.

53. Mccutcheon A.R.S., Brown M.W.G. Evalution of a variable geometry turbocharger turbine an a commercial diesel engine//J. Mech. E.,Conference Turbo-chargers and Turbochrging, 1986,Paper C. 104/86.

54. Rosenkranz H.- G. Zum Beschleunigungsverhalten von Nutzfahrzeug-Dieselmotoren mit basturboaufladung. Institut fur Technische Verbrenung Universi-tat stutt-gard, 1982, 239 s.

55. Sakakida M., Kurota K., Misaki N., Funavama K., Vumoto M., De-velooment of small, hign specific speed radialinflow turbines for automative turbo-chargers.// J. Mech.E., Conference Turbochargers and Turbocharging, 1986. Paper C122/86.

56. Sumi V., Vamane K. Recent development of high response turbochargers for passenger cars.//J.Mech.E., Conference Turbochargers and Turbocharging, 1986.Paper С107/86.

57. Watson N.,Janota M.S. Turbocharging the internal combustion Engine. The Macmillan Press Ltd.-l982.-608 p.

58. Watson N. Turbocharging developments on vehicle diesel engines.'SAE Techn.Pap. Ser'. 1985, №850315.-49-66 p.