автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Совершенствование входных устройств осевых турбин агрегатов наддува судовых дизелей на основе физического эксперимента и численного моделирования

КЕРИДИ Панаёт Георгиевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ВХОДНЫХ УСТРОЙСТВ

ОСЕВЫХ ТУРБИН АГРЕГАТОВ НАД ДУВА СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА И ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

05.08.05 — Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2006

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете и Новороссийской государственной морской академии.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Тихомиров Боряс Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шаров Геннадий Иванович

кандидат технических наук, доцент Сударев Борис Владимирович

Ведущая организация: ОАО «Специальное конструкторское

бюро турбонагнетателей»

Защита диссертации состоится & 2007 года в _£%асов

на заседании диссертационного совета Д 212.228.03 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу:

190008, г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3, СПбГМТУ, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Автореферат разослан « /X м>

2006 г.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.-Петербург ОЭ 200|акт.<П.

Ученый секретарь

диссертационного совета лО

доктор технических наук, профессор (¿¿^^ Сеньков А.П,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

AisityanbHomib. На судах морстго н р ечного флогаразличного назначения в качеегее шавных и вспомогательных двигателей применяются дизели, мощность шгорых б последних модификациях достигает нескольких десятков мВт. Основным направлением повышения технико-экономических показателей судовых энергепиескихустановок является совершенствование пак самих двигателей, так и агрегатов наддува.

В настоящее врет в качестве агрегатов надаува судовых дизелей наибольшее распространение получшщтурб<жо:отрессоры:

е отечественных производителей: Брянского машиносгроительшго завода, Спешшькошшкстругаорского бюро турбонагнетателей и дизелесгротелъ-кого завода {п Пива) и др.;

о зарубежных производителей: ABB (Швейцария), MAN B&W Diesel (Германия-Дания), CATERPILLAR (САХ США) и др.

Повышение пен на нефтепродукты, ужесточение экологических требований на морском и речном транспорте, шнкуре!тш борьба между производителями двигателей и агрегатов напдува за рынки сбыта потребовали от предприятий дальнейшего совершенствования производства, улучшения качества и снижения себестоимости продукции. В последнее время основное внимание в сфере производства двигателей и агрегатов надаува было сконцентрировано на сле^-ющих направлениях:

о улучшение качества тошшвосгорання и газообмена дизеля; о повышение уровня форсировки и мощности дизеля; о уменьшение удельного расхода топлива на установку; е улучшение качества работы д изеля на частичных нагрузках; о обеспечение возможности работы на тяжелом топливе все более низкого качества;

о увеличение КПД и степени повышения давления агрегатов наддува; о расширение возможностей утилизации существующего энергетического потенциала.

Разработкой теории и расчетами турбин и компрессоров в составе агрегатов наддува судовых двигателей, изучением вопросов и>; совместной работы с двигателем, совершенствованием технической эксплугггациитурбонаддувочных агрегатов занимались многие известные инженеры и ученые России: Байков Б.П., Ваншейцг В А, Бордуков В.Т., Дейч P.C., Дехович ДА., Камкин С.В., Иванченко НИ, Круптов MX, Орпин АС, Петровский Н.В., Розенберг Г.Ш., Межерицкий А.Д., Возннцкий И.В. и многие другие, внесшие значительный вклад в совершенствование метод ов проектирования, конструкций итехничес-шй эксплуатации турбодадцувочных агрегатов. Сведуеттакже отметшь исследования в данном направлении зарубежных ученых Еевена Р. МаЙера Е. Одним из направлений повышения эффективности агрегатов наддува яв-

ляется аэродинамическое совершенствование входных устройств (ВУ)турби-ны. Это актуально, особенно, в тех случаях, когда по условиям компоновки агрегата наддува надюеле ВУ газовой турбины имеет сложную форму, отличающуюся от ВУ ущпшнош типа. Поворот из осевого направления в тангенциальное, а потом в радиальное и снова в осевое придайт потоку трёхмерную структуру. Трансформация потока и как следствие наличие неоднородности потога при входе на сопловые лодапси приводит к большим потерям энергии. Снижение окружной неравномерности параметров рабочей среды и улучшение аэродинамических характеристик ВУ осевых турбин является актуальной задачей. Опубликованных резушгаггов исследований по ВУ осевых турбин такого типа нет. Аэродинамическое совершенствование ВУ турбин может выполняться на основе экспериментальных исследований на специальных стендах или путём численного моделирования.

В большинстве случаев для решения задачи определения параметров потока в каналах сложной геометрии не требуется использование дорогих коммерческих пакетов, позволяющих выполнять расчёты пространственного потока вязкой жидкости Программные продукты, основанные на модели трёхмерного потока невязкой несжимаемой жидкости с использованием дня решения метода конечных элементов (МКЭ) просты, обладают достаточной точностью расчёта и вполне пригодны дм оптимизации проточной части. Разработка граничных условий позволяет учесть наличие и обратное влияние соплового аппарата В связи с этим перспективным является экспериментальное исследование влияния соплового аппарата на характеристики течения рабочей среды в ВУ осевой турбины. Реализация поставленной задачи в рамках потенциальной модели позволит обеспечить требуемое качество профилирования ВУ, снизить имеющуюся неоднородность потока на входе в сопловые лопатки и, как следствие, повысить КПД осевой турбины.

Диссертащоннт работа посвящена решению важной научно-технической задачи, связанной с повышением эффективности турбокомпрессоров агрегатов надцува судовых среднеоборотных дизелей путем совершенствования ВУ осевых турбин на основе физического эксперимента и численного моделирования.

Цель диссертационной работы—совершенствование ВУ осевых турбин турбокомпрессоров судовых среднеоборотных дизелей на основе физического эксперимента и численного моделирования.

В соответствии с целью исследования поставлены следующие задачи: в изготовление стенда для исследования элементов турбин агрегатов наддува и специальных аэродинамических зондов;

" экспериментальное исследование ВУ осевых турбин сложной формы (неупшочного типа); определение влияния соплового аппарата турбины на структуру потока в ВУ;

■ разработка маггемашчесюй модели расчетатрехмерного потоха невязкой несжимаемой жидкости в ВУ осевой турбины; проверка адекватности модели;

■ численное моделирование ВУ ссезых турбин на базе математической модели трехмерного потока невязкой несжимаемой жидкости и разработка рекомендаций по совершенствованию ВУ осевых турбин на основе результатов моделирования;

в азродинамнчеаээе исследование моделей ВУ> полученных путем численного моделирования, на экспериментальном стенде.

Методы решения поставленных задач. В диссертационной работе используются методы аэродинамического экспериментального исследования и численною моделирования.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем: * экспериментальным путем получены аэродинамические характеристики входного устройства, распределение параметров потока как внутри, так и на выходе ю ВУ осевой турбины сложной формы (не уишотного типа);

а определено обратное влияние соплового аппарата турбин на распределение параметров патока в ВУ осевой турбины сложной формы;

а разработана математическая модель расчета трехмерного потока невязкой несжимаемой жидкости в ВУ осевой турбины сложной формы и проверена ее адекватность;

9 пред ложены методы аэродинамического совершенствования ВУ осевых турбин турбокомпрессоров судовых среднеоборотных дизелей;

° проведены экспериментальные аэродинамические исследования моделей входных устройств, разработанных на основании результатов расчета и предложенных методов совершенствования ВУ

Теоретическое значение результатов работы заключается в получении эмпирических зависимостей и математической модели расчета ВУ осе* вых турбин сложной формы, позволяющих выполнять расчет таких ВУ

Лраютчестя значимость работы состоит в том, что результаты аэродинамических экспериментальных исследований (входных устройств с сопловым аппаратом и без него) и математическая модель расчета ВУ осевых турбин турбокомпрессоров судовых дизелей применяются в виде рекомендаций по совершенствованию конструкций ВУ и программного комплекса. Это позволяет их использовать при проектировании и изготовлении турбокомпрессоров суповых дизелей.

Результаты экспертгешальныхисследовзннй и разработанная математическая модель расчета внедрены в СКБТ (г. Пенза), используются в учебном процессе профилирующих кафедр СПбГМТУ и НГМА.

Достосерпость научных результата достигается комплексным использованием известных, проверенных практикой методов проведения аэродинамического эксперимента, тарировкой аэродинамических зондов, разработкой математической модели расчета на основе метода конечныхэлеменгов и фундаментальных загонов и уравнений газодинамики, проверкой адекватности модели на точном решении и сравнением с результатами экспериментальных исследований.

Назаищщ выносятся:

ш результаты аэродинамическихэкспериментальных исследований ВУ осевых турбш сложной формы (с сопловым аппаратом и без соплового аппарата);

■ математическая модель расчета трехмерного потока невязкой несжимаемой жидкости в ВУ осевой турбины;

° рекомендации по совершенствованию ВУ осевыхтурбин сложной формы и результаты аэродинамических исследований ВУ.

Апробация работы. Основные положения и рез}льташ диссертационного исследования докладывались и обсуждались на международных, всероссийских (всесоюзных) и отраслевых научно-технических конференциях (НТК): всесоюзные НТК «Жизнь и компьютер» (Харьков, 1990), МВТУ имени Н.Э. Баумана (Москва, 1991); всероссийская НТК «Проектирование, эксплуатация и ремонт энергетических установок и их элементов» (Новороссийск, 1999); международная НТК «Надежность и ремонт машин» (Орел, 2005); НТК в СПбШТУ и НГМА (Новороссийск, 2000).

ílyóiuimiym. Пот5едассергашшоп>бликовано9 печатыхрабос Результаты исследований представлены в 3 отчетах по хоздоговорным и госбюджетным НИР

Струттура и оШлг диссершцш. Диссертационная работа включает: отавление (2 страницы); введение (5 страниц), четыре главы (123 страниц); заключение (4 страницы); перечень сокращений (1 страница); список использованной литературы (51 наименования—6 страниц) и списка опубликованных научных трудов автора по разделам диссертации (9 наименований — 2 страницы). Работа содержит 4 таблицы и 115 иллюстраций.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность, научная новизна, теоретическая и практическая значимость, формулируются цели и задачи исследования, определяются методы их решения.

Первая глава посвящена анализу методов проектирования ВУ турбома-шин. Рассмотрены методы проектирования с использованием эмпирических, полуэмпирических и теоретических методов. Особое внимание уделено численному моделированию и экспериментальным методам исследования ВУ с лопаточным аппаратом турбины. Анализ показал отсутствие универсальных моделей, учтывающих сложную пространственную форму ВУ и реальные свойства рабочей среды. Проведенный обзор методов профилирования ВУ позволил оценить достоинства и недостатки рассмотренных методов.

Отсутствие в рассматриваемых работах возможности профилирования ВУ сложных форм (неуяигочного типа) определило постановку задачи исследования в части применения потенциальной модели несжимаемой жидаэстидля учёта и обратного влияния СА в граничных условиях в задаче профилирования ВУ осевых турбин агрегатов наддува судовых дизелей.

Во второй ставе для исследования аэродинамических характеристик ВУ

о«бой газовой турбины агрегата наддува дизеля был спроектирован и изготовлен воздушный экспериментальный стенд. Конструкция экспериментальной установки пшеоляетрабошь при различных числах Маха. Объект исследования может снабжайся вощухом от автономного центробежного венгнля-тора или от системы сжатого воздуха лаборатории. Входное устройство с односторонним подводам рабочей среды к СА турбины показано на рис. 1. Его условно можно разделил, на д ва участка: входной и улитку. Входной участок, ограниченный входным сечением 0-0 и сечением 1-1, представляет собой канал сложной пространственной формы. Поток разворачивается в горизонтальной плоскости на утл приблизительно 70? относительно оси входного сечения и получает окружное направление вдоль проточной части улитки. Объектом исследования является натурное ВУ осевой газовой турбины агрегата наддува судовых среднеоборотных двигателей мощностью 2500—3000 кВт,, со среднезффекгивным давлением до 2,5 мПа. Все экспериментальные исследования производились на воздухе с начальной температурой То*=290...300 К, при значении газодинамических критериев подобия М=0>1-Д6иЕе=С2...5>10'.

В третьей главе приводятся результаты аэродинамических исследований ВУ осевой турбины атрзгагга наддува и описание разработанной математической модели. Исследования ВУ турбины выполнено совместно с сопло-

Рис. 1. Входное устройство с односторонним подводом рабочей среды

В обоих случаях при аэродинамическом исследовании проводилось трзверсировашю погокаво входном сечении ВХ контрольных сечениях улитки и на входе в СА. В результате экспериментального исследования получено распределение параметров потока в сечениях ВУ, векторное поле проекций скорости и углы натекания потока на лопатки СА. Материалы экспериментального исследования приведены в относительном виде. Проекции вектора старости отнесены к величине среднерасходной скорости потока во входном сечении ВУ. Результаты отнесения проекций вектора скорости представлены в виде поля изотах для окружной составляющей и векторного поля среднемерщщанной скорости.

Анализ тотах огсрумсной составляющей "Си (рис. 2) и векторного поля среднемерщщанной сюрости (рис. 3) позволил сделать вывод о том, что поток

в ВУ имеет пространственную неравномерную структуру Это связано с тем, что поток поворачивается на 70е в окружном направлении и на 90° в осевом. Несимметричное поле гостах сохраняется и в последних сечениях ВУ (сечение 1У-1У). Исследование в выходном сечении ВУ способствовало выявлению неравномерного распределения параметров потока в осевом направлении. Более нагруженным является сегментсопел, расположенный непосредственно за входным участком. Поворот во входном участке на 90° в осевом направлении привел к неравномерному распределению скорости по длине лопатки с образованием зоны отрыва В остальных сечениях распределение скорости по длине лопатки более равномерное.

Установка СА привела к изменению структуры потока в ВУ Произошло перераспределение параметров и расхода рабочей среды по сечениям. Установка сопловою аппарата привела к тому, что во входном участке частично выровнялся профиль скорости, исчезла зона малых скоростей. Симметричным стало поле изотах в сечении П1—Ш.

Рис. 2. Изотахи окружной составляющей скорости для ВУ К, П — корневая и периферийная поверхности.

Сечете /-/

Сечмие м-ш

¿мент /У-/с

Рис. 3. Векторное ноле среднемеридианной скорости для ВУ: К, П — корневая и периферийная поверхности.

Рис. 4. Распределение параметров потока в выходном сечении БУ с односторонним подводом рабочего тела: а) угла входа потока на среднем диаметре; б) расходной составляющей скорости "Са по длине лопатки СА;

1—4 —кодера сеченш: 1 — 30°; 2—90°; 3 —180°;4—27(Г; ^ — эксперимент;--расчет.

Однако в целом характер течения не изменился. Имеет место перемещение ядра потока к поверхности с большим радиусом кривизны. Значение коэффициента неравномерности скорости й составило 0,4 и 0,86 при исследовании с СА и без СА соответственно. Полученное значение со показывает степень влияния установки СА на распределение осевой составляющей скорости в выходном сечении ВУ, Эффективный угол входа потока на среднем диаметре составляет 122е (рис.4). Установка СА приводит к изменению и перераспределению углов входа потока на лопатки.

Исследование обратного влияния соплового аппарата на неравномерность параметров патока во входном устройстве выполнялось путем варьирования геометрических данных СА. Первый вариантисследования предусматривал изучение влияния геометрических углов на входе и выходе СА на неравномерность параметров потока во входном устройстве. В этом случае геометрический входной угол в СА изменялся от 90° до 135°, а выходной угол при этом оставался неизменным и составлял 21°. Второй вариант предусматривал аэродинамическое исследование входного устройства с СА, имеющими переменный угол выхода. Геометрический входной угол СА составлял 90°, а величина выходного угла для двух вариантов составляла 21° и 16°. На рис. 5 представлены результаты аэродинамических испытаний входного устройства с различными вариантами СА. Анализ результатов исследования позволил заключить, что во входном устройстве с СА, имеющим угол входа ает 90° и 135°, минимальное значение коэффициента

неравномерности скорости достигается при минимальных значениях угла атаки. Коэффшщент неравномерности расходной составляющей скорости составил 0,279 и 0,127 для ВУ+СА при^^о/^соответственно. Уменьшение геометрического угла выхода потока из СА позволяет снизить окружную неравномерность скорости во входном устройстве. При уменьшении утла выхода потока из СА с 21° до 16° коэффициент неравномерности скорости снизился до 0,117. Для рассматриваемых вариантов СА сохраняется общий характер неоднородности течения перед СА, обусловленный влиянием сложности геометрического профиля самого входного устройства. Наличие обратного влияния приводит к снижению окружной неравномерности скорости. Однако в ВУ более нагруженным остается первый сегмент сопел. На основании полученного эксперимента можно сделать рекомендации по выбору входного угла лопатки СА.

•

г Г -

¡0 1 гв 1 50 г 4й 3 ю зс

ТРОП

Раю. Распределение п» окруишостм осреднешюй

по ллбшс яоштси расходной состышгощо¡1 скорости

СО ^ .337 0^50° оС„=21е

•СО =0.127 о^^ео" оС^с-иа"1

00=0,117 0^=135"

В основу методики расчета трехмерного потока невязкой несжимаемой жидкости положена вариационная формулировка МКЭ. Достаточно простое физическое толкование МКЭ позволяет естественно формулировать граничные условия, произвольно производить дискретизацию модели конечными элементами, сгущая сетку в местах большого градиента искомых величин, легко учитывать сложную геометрию рассчитываемой области. В диссертации рассмотрено трехмерное стационарное потенциальное течение невязкой несжимаемой

среды & неподвижной системе координат. Для таких течений уравнение неразрывности может быть выражено через потенциал скорости:

V? = О О)

где с —вектор абсолкпкой скорости,

С ~ V ф ©

Подставляя (4.2) в (4,1), получаем:

V V = о

Граничными условиями являются:

а) условия Неймана в виде распределенной нагрузки на грани элементов, расположенных на входной границе 5.:

д<р/дп=с„{з1) о)

б) условия Дирихле в виде сосредоточенных сил в узлах, расположенных на выходной границе 5г:

<Р = <Р{$2) (4)

в) на стенках задается условие непротекания:

д<р/дп = 0 (5)

Функционал, соответствующий уравнению для потенциала скорости» интегрируется по объему V и поверхности 8 и определяется в виде:

я = \{у2(д(р1дх)г +уг(д(р1ду)2+у2(д<р1&У} 4У+ \сп<раз

¡Минимизируя функционал для всей расчетной области, получаем:

№1 л;.

-Суммирование производ1№б)нао-вое№ элементам, При этом гназада-вычиеяяются злаченая- потенциала скоро о-ти, а^шачм ■ ьшромигДйя-

раеиддр прпртф^чртп^р!^ гг. ^т^-д-рг^ Г^МР-У^МГЛ ГрЯНТЩ Т^^рРИ-

ку&текнй криволинейный изопараметрический-коненный-эламеши Суммирование производится по всем элементам. При этом сначала вычисляются значения потенциала скорости, а затем — скорости. Для расчета пространственных задач со сложной геометрией границ выбран кубический криволинейный изопараметрический конечный элемент. Формирование и решение системы уравнений МКЭ реализуются в программе с помощью фронтальной техники, особенно, эффективной при использовании нзопараметркческих элементов. Сборка коэффициентов системы уравнений из матрицы жесткости и векторов правых частей отдельных элементов (перебор их с первого до последнего) с одновременным исключением неизвестных осуществляется по методу Гаусса. В результате решения системы уравнений находятся и выводятся на печать неизвестные в узловых точках модели.

Проверка работоспособности программного комплекса и адекватности математической модели была осуществлена путем сравнения полученных результатов расчета с результатами точных тестовых решений и результатами экспериментальных аэродинамических испытаний. Максимальная относительная погрешность в сравнении с аналитическим решением составила 0,43%. На втором этапе сравнение результатов расчета с использованием программного комплекса для расчета ВУ сложной формы с односторонним подводом рабочего тела производилась на основе сравнения расходов газа во вход ном и выходном сечениях. В сечениях максимального расхода оценка точности полученных результатов выявила погрешность 2,5%, что позволяет сделать вывод о достоверности полученных результатов и работоспособности программного комплекса.

Сравнение экспериментальных {ВУ без СА) и расчетных распределений расходной составляющей скорости по длине лопатки в выходном сечении ВУ представлено на рис. 3. Анализ полученных зависимостей показывает, что расчет в сечениях от 30° до 150* имеет удовлетворительное совпадение результатов по длине лопаток от 0,1 до 0}75. Расхождение результатов связано с наличием эффектов, которые невозможно учесть в рамках модели невязкой жидкости — отрывной зоны вблизи периферийной поверхности в первых сегментах сопел и пограничных слоев, которые образуются при повороте потока в ВУ на 180 градусов. В целом следует отметить, что получено хорошее совпадение как в общей картине течения, так ив величинах максимальных скоростей в сечениях <р=30° и ф=90°, где проходит основная часть расхода. Сравнение резупьтатов численного моделирования и эксперимента показывает; что по разработанной модели расчета можно с удовлетворительной точностью определят, угаы нагекания потока на лопетки СА.

В четвертой шаве на основании разработанной математической модели и численного моделирования определены пути повышения эффективности ВУ сложных форм (неулшочного типа). Д ля ВУ с односторонним подводом рабочей среды бш выполнен ряд вариантных расчетов. При сравнении результатов расчетов оценивалась окружная неравномерность дня осевой составляющей стрости в выходном сечении. Рассматривались различные пути совершенствования:

□ увеличение площадей входного сечения, а также сечения по направлению течения;

□ выполнение входного участка в виде поворотного канала;

□ смещение оси входного сечения в сторону максимальной кривизны входного участка;

о комбинация перечисленных выше способов;

о симметричный (двухсторонний) подвод рабочей среды. В первом варианте при увеличении площади входного сечении рассматривались два случая: площадь сечения <р=30в больше по сравнению с

исходным вариантом в 2^6 и 3,3 раза Площади поперечного сечения ВУ в других сечениях принимались неизменными по направлению течения как в исходном варианте ВУ. Коэффициенты неравномерности скорости составили соответственно 1,46 и 1,21.

Изменение геометрии ВУ привело к уменьшению коэффициента неравномерности скорости (рис.6). Дальнейшее увеличение площади поперечного сечения свыше (2,3-2,5){г50исх ке приводит к значительному уменьшению коэффициента неравномерности. Этот путь совершенствования приводит к снижению коэффициента неравномерности параметров, вместе с тем увеличение входного диаметра ВУ приводит к увеличению габаритов осевой турбины. В связи с этим использование данного способа снижения окружной неравномерности параметров течения рабочей среды должно осуществляться с учетом конструктивных ограничений.

Следующий подход к совершенствованию ВУ—выполнение входного участка в виде поворотного канала — был выбран на основе анализа результатов предыдущих расчетов. Поворотный канал предназначается для обеспечения более плавного поворота потока из осевого направления в окружное. Была поставлена задача достижения этого в рамках имеющихся габаритов (оставались неизменными: диаметр входа в ВУ — 200 мм, расположение входного и выходного сечений). Максимальная площадь поперечного сечения (р=30° была увеличена в 2,1 раза по сравнению с исходным вариантом. Поворотный участок был выполнен до сечения Ф=120°. Одновременно под ним располагался конечный участок улитки ВУ, необходимый для обеспечения полного впуска рабочего тела на лопатки СА турбины. Площадь поперечного сечения изменялась по линейной зависимости. Коэффициент неравномерности скорости составил 1,81.

среды при различных площадях и диаметрах поперечных сечений, в- — исходный вариант; 4— <1вх=250 мм, Р^г.Зб Рисхк*°; £ — <3вх=250 чм, Г№=3,3 Р ио:"-'".

Более радикальным путем является создание плавного поворота по гока. Это может быть достигнуто при смещении оси входного сечения

в сторону максимальной кривизны поворота или выполнение поворотного участка, смещенным за корневой диаметр СА. Необходимость последнего мероприятия связана с тем, что в процессе поворота ядро потока под действием центробежных сил смещается к оси вращения турбины. Был выполнен расчет со смещением оси входного сечения на 180 мм. Входной диаметр задавался равным 250 мм. Максимальная площадь принималась в 1,6 раза больше по сравнению с исходным вариантом, коэффициент неравномерности скорости составил 1,5.

В одном из вариантов принята схема ВУ с симметричным подводом рабочей среды к СА (рис. 7). В расчете рассматривалась половина ВУ из-за симметрии как геометрии, так и граничных условий, в)

Окружная коордиттэ Ф. град Рнс. 7. Сравнение резушгооо расчета ВУ с одиосгорошшм п сгошетрпчныл подводом рабочей среды.

в) схема ВУ с снммечрнянмм подводом: Я) результаты росчсгл; — с«;--О--«о;

1— ВУ с одвостррокши подаодоы; I — ВУ с сшшаричкъш подводом.

На рис, 7 приведены результаты расчета ВУ с симметричным подводом рабочей среды и сравнение распределений расход ной составляющей скорости, углов потока, взятых на среднем радиусе, и площадей поперечного сечения д ля ВУ с односторонним и симметричным подводом рабочей среды. Видно, что при тех же габаритных ограничениях симметричный подвод позволяет существенно снизить неравномерность поля скорости в сечении перед СА. Козффщиенгнеравномерносшскороста составил дня ВУ с односторонним и симметричным подводом соответственно 2,1 и 0,3,

Были также выполнены работы по установке клина и уступа (рис.8). Рассмотрены два случая: шдщ высота и профиль клина постоянны в окружном направлении; высота клина имеет переменные значения. При расчете без клина коэффициент неравномерности скорости составил 1,2, с клином—0,54.

Рассмотрена возможность дальнейшего снижения коэффициента неравномерности скорости путем установки профилированного выступа между перегородками (рис.9). Коэффициент неравномерности составил 0,42,

в) 5)

Вне. 5. Профшнровнше сечшш ВУ с шшетршшым проводоы рабочей среды я) прфквд сечетш. б) распределение тощлд ей штреток сечешй

—- аргангсяши;

По результатам численного моделирования были изготовлены модели с целью их аэродинамического исследования. Исследования в выходном сечении ВУ выявили снижение неравномерности скорости в окружном направлении. Наличие клина позволило обеспечить требуемую минимальную неравномерность и отсутствие перетекания потока в первом сегменте сопел, однако, это способствовало локальному отрыву потока в первом сегменте сопел. Коэффициент неравномерности составил 6=0,361. Аэродинамические исследования ВУ с симметричным подводом рабочей среды и одним подводящим патрубком позволили предложить конфигурацию несимметричного профиля для двух полуулиток. Экспериментальные исследования полуулитки, ориентированной против направления вращения, показали наличие больших углов атаки на лопатки СА и, соответственно, большее обратное влияние соплового аппарата на характер течения рабочей среды. В пояуулитке, ориентированной по направлению вращения рабочего колеса турбины, отмечается следующее: более нагруженным является сегмент сопел, ограниченный угловой координатой от ч>=0 до <¡>-90®. Коэффициент неравномерности скорости составил <»=0,243. В полуулитке, ориентированной против направления вращения рабочего колеса турбины, большая часть расхода приходится на сегмент сопел, ограниченный угловой координатой от <р=90° до ф=150°. Коэффициент неравномерности составил со=0,29.

а) 6)

«1РЛв

** I»

ф —

«

I»

—озрюнтсктиаа —мрюнгсеыетугои ищаям

Рис. 9. Распределение относительной расходной составляющей скорости для ВУ с симметричным подводой рабочей среды

-«-ноедный юрййнт

юрютг е вмгоэиой птешзйыо

еднамг с решения ееадния дкшэтрм)

Установка соплового аппарата позволила снизить имеющуюся неравномерность скорости перед ним. Величина утла атаки изменяется: от +10° до +40° для полуугшпш, ориентированной по направлению вращения; от -25° до -39° для полуупитки, ориентированной против направления вращения. Течение с углом атаки на сопловые лопатки приводит к увеличению потерь. Это приводит к снижению КПД турбины, а также усиливает обратное влияние соплового аппарата на структуру потока во входном устройстве.

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что параметры потока в радиальном направлении распределяются неравномерно по длине лопатки в первых двух сегментах сопел обеих полуулиток, при этом на среднем диаметре в окружном направлении достигается требуемая равномерность скорости. Исследование структуры потока в выходном сечении ВУ совместно с СА способствовало выявлению неравномерного распределения параметров потока как по длине лопаток, так и в окружном направлении. Наличие различных условий течения в двух полуупитках приводит к изменению структуры потока в выходном сечении ВУ, к различным условиям натружения СА. Однако если рассмотреть распределение расходной составляющей скорости Са на выходе из ВУ на среднем диаметре (рис. 10), то можно увидеть, что изменение незначительно. Коэффициент неравномерности составил для полуулитки, ориентированной по направлению вращения, щ=0,1, против направления вращения — «1=0,04. Этот результат достигается тем, что полууиитка, ориентированная против направления вращения, имеет большую площадь поперечных сечений, что и позволяет снизить окружную неравномерность скорости. Если сравнить полученные значения коэффициента неравномерности для спрофилированного ВУ, то можно увидеть, что установка СА привела к увеличению коэффициента неравномерности.

0»4>уяа1м коордннот Ч*. 1улд Рис 10 РлСПРОД СЛПIС А) аС.ХОД1 {Ох! С0>;ТГ^1ДГаО|ДсЛ СКОРОСТИ перед СОПТГОРЫМ шшсратоы на среднем дтыетрс о ф\1С<шш окру.лз1£Л коорднняги Ьаргонт ВУ еооывстио с СА>

— й — пллу^гопка по нгпртапекию вршцекия РК турбины;

—'О — полуулпко пропт напржлсгаи врящсши РК турйщьь

Траверсирование потока за СА позволило выявить влияние СА на структуру потока за ним. Распределение расходной составляющей скорости в выходном сечении СА в функции окружной координаты подтверждает, что СА сглаживает имеющуюся неравномерность скорости перед ним. В процессе экспериментального исследования были определены углы атаки на сопловые лопатки (рис. 11). Изрисунка видно, что изменение угла атаки в окружном направлении достаточно велико (от -38" до +45°), В полуулитке, ориентированной по направлению вращения рабочего колеса турбины, угол атаки изменяются от +20" до +45®. В полуулитке, ориентированной против направления вращения рабочего колеса турбины, угол атаки изменяется от -15° до -33°. При анализе характера изменения угла атаки в окружном направлении в сопоставлении с распределением скорости перед СА на среднем диаметре прослеживается определенная закономерность: с ростом угла атаки на лопатках СА величина скорости снижается.

Выполненные экспериментальные исследования ВУ, спрофилированного и изготовленного по результатам численного моделирования, позволяют построить зависимость относительной величины расходной составляющей скорости от угла атаки (рис, 12). Полученная зависимость показывает, что с увеличением угла атаки величина скорости уменьшается. Результаты исследования и полученные обобщения могут быть использованы при определении граничных условий в математической модели для учета наличия и обратного влияния СА.

На основании полученных результатов было предложено профилирование не только ВУ, но и сопловых лопаток. В процессе аэродинамических исследований при испытании ВУ совместно с СА был выполнен окончательный этап его профилирования.

+30 +40 „ +30

S

£5* +20 +10 1 0

I

>, -20 -30 -40 -50

J 1

4 4

\J

i

_ i

ISO

30 «50 90 120 150

Окружная координата <Р, град Рис. il. Зпздвошость упгап пхакн m сопловые лопан(н от окружной координаты.

— Д — пелуугияко ш> HanpesfleîBco врапкзви MC sypííiaíbs:

патуупгака проиш ъктртпсхшя врэщсшю PK турйшы. CA, —-=- без CA.

1

0,5

? «

1

— 10 20 30 40

Углы oraai lio лопвткн CA |i(. град

Рис. 12. Зпвис1Шость 0ïH0ciir<ML:ï0ii BCJiiritiHbi расходной составляющей скоросш от угла отшэг

—. & — i>0; — © — i<0.

20

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований входных устройств осевых турбин агрегатов наддува судовых дизелей, пасены следующие научные и практические результаты:

1. Аэродинамические испытания ВУ осевой турбины сложной формы позволили заключить, что поворот из осевого направления в тангенциальное и затем в осевое направление привел к трансформации потока и как следствие - к наличию неоднородности потока в выходном сечении. Наличие СА снизило окружную неравномерность параметров течения на входе в сопловые лопатки, локализовало зону отрыва, но общий характер течения, обусловленный сложностью пространственной формы, остался неизменным. По-прежнему более нагруженным является первый сегмент сопел.

2. Исследовано обратное влияние СА на характер течения в ВУ осевой турбины. Проведенные аэродинамические испытания ВУсразличными вариантами СА позволили установить, что при равенстве площади горла соплового аппарата максимальная неравномерность расхода в выходном сечении ВУ существует в СА с максимальными углами атаки. При равенстве геометрического утла входа в сопловой аппарат снижение площади горла приводит к снижению окружной неравномерности расхода,

3. Разработана математическая модель трехмерного потока невязкой несжимаемой жидкости. В качестве метода расчета потенциальной модели применена вариационная формулировка метода конечных элементов МКЭ. При задании граничных условий учтено наличие и обратное влияние СА осевой турбины.

4. Выполнена проверка работоспособности программного комплекса и адекватности математической модели на точном решении и в сравнении с экспериментальными данными. Сравнение результатов расчета с точным решением позволяет сделать вывод о наличии относительной погрешности не более 0,48%. Выполненный расчетвходногоустройства осевой турбины сложной формы показал хорошую сходимость результатов расчета и эксперимента. Погрешность определения расхода в контрольных сечениях составила 2,5%.

5. Численное моделирование входного устройства с использованием математической модели трехмерного потока невязкой несжимаемой жидкости позволило оптимизировать внешние формы ВУ

различной конфигурации. Определен воздействие на характер течения и окружную неравномерность расходной составляющей старости путем установки во внутренних каналах выступов и клиньев, атаюке путем установки поворотного канала и изменения радиусов кривизны профилируемых поверхностей: Выполнены вариантные расчет и найдены оптимальные формы для предложенных вариантов ВУ осевых турбин симметричных форм с од ним и двумя газоприемными патрубками, даны рекомендации для профилирования сопловых лопаток.

6. Проведены аэродинамические испытания экспериментальных моделей ВУ с симметричным подводом рабочей среды с одним и двумя газоподводящими патрубками, изготовленными по результатам численного • моделирования. Испытания проводились при наличии и без соплового аппарата. Получено значительное снижение неравномерности расходной составляющей скорости в выходном сечении ВУ.

7. При экспериментальном исследовании обратного влияния СА установлено, что геометрический входиойугал СА оказываетосновное влияние на окружную неравномерность параметров потока в выходном сечении ВУ Получена зависимость относительной величины расходной составляющей скорости от величины угла атаки, которая может быть использована при численном моделировании ВУ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Николаев НИ, Кериди ПГ.( Шмелев С.Х., Тихомиров Б А, Савченко В, А. Программный комплекс расчетатрехмерного вихрзвого потока в патрубках турбомашин // Материалы всесоюзной научнснгехничесшй конференции «Жтнь и компьютер».—Харьков, 1990.

2. Николаев НИ.,Шмелев СХ, Кервди П.Г, Савченко ВА. Совершенствование входного устройства турбины турбокомпрессора ТК-35 В-08М и исследование усяовийэшиуатащш ГШ отечественных изарубежных фирм (отчет поНИР,№ гос.региетрацшО189.0063792).—Новороссийск НВИМУ, 1990.

3. Никола® НЛ, Тихомиров БА, Шмелев С.Х., Кериди П.Г, Савченко В А Исследование стру1гтуры потока во входном устройстве осевой газовой

турбины атрггататаддува дизеяя//Труяы НТО им. академика АН. 1цзьшга. Материалы по обмен)' опытом.—Л., 1991 г.—Вып.250.

4. Николаев Ш-L, Керщш ПГ_ Тихомиров БА^ Савчент В А, Шмелев СХ Расчетное и экспериментальное исследование течения рабочей (ртды ео входномустройствз турбины// Материалы всесоюзной штучно-технической конференц ия МВТУ им. Н.Э. Баумана.—1991.

5. Кертш ПГ, Николаев H.Ü, Савченко В А., Тижширов БА., Шмелев СХ. Численное и экспериментальное исследование йодных устройств осевой турбины агрегата надпува дизеля И Двигагеяестроеше.—1996.—Л'еЗ—4.

6. Нишлаев Н.И., Кериди П.Г., Савченко В А., Шмелев С.Х. Магемагичеаая модель расчета турбины и компрессора агрегата надцува ДВС с учетом экспериментальных данных // Сборник научных трудов НГМА. — Новороссийск: НГМД, 1999.—Вып. 4.

7. Ншолаев Н.Й., Кериди П.Г., Шмелев С.Х. Расчепю-эксперлмешальные исследования входных устройств газовых турбин агрегатов наддува четвертого поколения Н Материалы всероссийской ночной конференции «Новая Россия — транспорт и земная ноосфера», — Новороссийск: РИО НГМА 2000.

8. Николаев Н.И., Кервди П.Г., Антонов С.П. Использование математических моделей ргсчетатурбонагнегателей для повышения надежностизйсплуаггашж судовых дизелей // Сборник материалов 2-ой международной научно-технически иикфвренши «Надежность и ремонт машин».—Орал: Изд-во Шрел ГАУ», 2005.—С. 247—251.

9. Николаев Н.И,, Кершш П.Г., Шмелев С.Х. Влияние геометрических характеристик входных устройств осевой газовой турбины на параметры потока перед сопловым аппаратом // Сборник ночных трэдов МГА им, адмирала Ф.Ф. Ушакова.—Новороссийск: Изд-во «МГА», 2005.

Формат 60xS4 1/16. Гаршпура Tims New Roman. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч. печ. л. 1,3 Уч. ига. л. 1,2, Тираж 100 экз. Заказ Ws 409

Отпечатано с готового оригинал-макета в ООО «Ставропольбланкиздэт» 355035, г. Ставрополь, ул. Ленина. 211, тел: 26-70-47

В-23 1 5

Список сокращений и аббревиатур

Список обозначений

Введение

Глава 1. Анализ методов проектирования входных устройств турбомашин и постановка задачи исследования

1.1. Эмпирические и полуэмпирические модели в методиках проектирования входных устройств турбомашин

1.2. Теоретические методы расчета входных устройств турбомашин

1.3. Постановка задачи исследования

Глава 2. Экспериментальная установка, объекты и методика исследования входных устройств осевых турбин

2.1. Описание экспериментальных установок и объектов исследования

2.2.Методика исследования входных устройств осевых турбин

Глава 3. Аэродинамическое исследование входного устройства осевой турбины агрегатов наддува и разработка математической модели 57 3.1. Входное устройство с односторонним подводом рабочего тела 58 3.2.0братное влияние соплового аппарата турбины на распределение параметров во входном устройстве

3.3. Математическая модель трехмерного потока невязкой несжимаемой жидкости

3.4. Проверка адекватности математической модели в сравнении с результатами точных решений и экспериментальными данными

Глава 4.Совершенствование входных устройств осевых турбин на основе анализа результатов экспериментальных исследований и численного моделирования 92 4.1. Совершенствование входных устройств осевых турбин на основе численного моделирования

4.2. Аэродинамическое исследование входного устройства осевой турбины с симметричным подводом рабочей среды с двумя газоприемными патрубками спрофилированного на основе численного моделирования

4.3. Аэродинамическое исследование входного устройства осевой турбины с симметричным подводом рабочей среды с одним газоприемным патрубком спрофилированного на основе численного моделирования

Актуальность проблемы исследования. На судах морского и речного флота различного назначения в качестве главного и вспомогательного двигателей применяется двигатель внутреннего сгорания, мощность которого в последних модификациях достигает несколько десятков мегаватт. Основным направлением повышения технико-экономических показателей судовых двигателей является совершенствование, как самих двигателей, так и агрегатов наддува.

В настоящее время в качестве агрегатов наддува судовых дизелей наибольшее распространение получили турбокомпрессоры:

• отечественных производителей: Брянского машиностроительного завода, Специального конструкторского бюро турбонагнетателей и дизелестроительного завода (г. Пенза) и др.;

• зарубежных производителей: «ASEA BROWN BOVERI» (ABB, Швейцария), MAN B&W Diesel (Германия-Дания), CATERPILLAR (CAT, США) и др.

Повышение цен на нефтепродукты, ужесточение экологических требований на морском и речном транспорте, конкурентная борьба между производителями двигателей и агрегатов наддува за рынки сбыта потребовали от предприятий дальнейшего совершенствования производства, улучшения качества и снижения себестоимости продукции. В последнее время основное внимание в сфере производства двигателей и агрегатов наддува было сконцентрировано на следующих направлениях:

• улучшение качества топливосгорания и газообмена дизеля;

• повышение уровня форсировки и мощности дизеля;

• уменьшение удельного расхода топлива на установку;

• улучшение качества работы дизеля на частичных нагрузках;

• возможность работы на тяжелом топливе все более низкого качества;

• увеличение КПД и степени повышения давления агрегатов наддува;

• расширение возможностей утилизации существующего энергетического потенциала.

Разработкой теории и расчетами турбин и компрессоров в составе агрегатов наддува судовых двигателей, изучением вопросов их совместной работы с двигателем, совершенствованием технической эксплуатации турбонаддувочных агрегатов занимались многие известные инженеры и ученые России: Байков Б.П., Ваншейдт В.А., Бордуков В.Т., Дейч Р.С., Дехович Д.А., Камкин С.В., Иванченко Н.Н., Круглов М.Г., Орлин А.С., Петровский Н.В., Розенберг Г.Ш., Межерицкий А.Д., Возницкий И.В. и многие другие, внесшие значительный вклад в совершенствование методов проектирования, конструкций и технической эксплуатации турбонаддувочных агрегатов. Следует также отметить исследования в данном направлении зарубежных ученых Бенена Р., Майера Е., Симпсона А.Э.

Одним из направлений повышения эффективности агрегатов наддува является аэродинамическое совершенствование входных устройств (ВУ) турбины. Это актуально особенно в тех случаях, когда по условиям компоновки агрегата наддува на дизеле ВУ газовой турбины имеет сложную форму (как по направлению движения рабочей среды, так и по изменению поперечных сечений потока), отличающуюся от ВУ улиточного типа. Опубликованных результатов исследований по ВУ осевых турбин такого типа нет. Аэродинамическое совершенствование ВУ турбин может выполняться на основе экспериментальных исследований на специальных стендах или численных методов. В свою очередь численные методы могут быть разработаны на основе модели течения идеальной или вязкой жидкости. Реализация модели идеальной жидкости позволяет с требуемой точностью обеспечить создание такого метода, но требует разработки граничных условий, проверки адекватности и т.п. Модель течения вязкой жидкости дает более точный результат, но требует дополнительных затрат на использование дорогого программного обеспечения и адаптацию программного комплекса на исследуемый объект.

Исследования проводились по поручению ОАО СКБТ (г. Пенза).

Объект исследования — ВУ осевой турбины современных агрегатов наддува судовых среднеоборотных дизелей.

Предмет исследования — аэродинамическое совершенствование ВУ современных агрегатов наддува судовых среднеоборотных дизелей.

Цель диссертационной работы — совершенствование ВУ осевых турбин турбокомпрессоров судовых среднеоборотных дизелей на основе физического эксперимента и численного моделирования.

В соответствии с объектом, предметом, проблемой и целью исследования поставлены следующие задачи: изготовление стенда для исследования элементов турбин агрегатов наддува и специальных аэродинамических зондов; экспериментальное исследование ВУ осевых турбин сложной формы (неулиточного типа); определение влияния соплового аппарата турбины на структуру потока в ВУ; разработка математической модели расчета трехмерного потока невязкой несжимаемой жидкости в ВУ осевой турбины. Проверка адекватности; численное моделирование ВУ осевых турбин на базе математической модели трехмерного потока невязкой несжимаемой жидкости и отражение результатов моделирования в разработке рекомендаций по совершенствованию ВУ осевых турбин; аэродинамическое исследование на экспериментальном стенде натурных моделей ВУ, полученных путем численного моделирования.

Методы решения поставленных задач. В диссертационной работе используются методы аэродинамического экспериментального исследования и численного моделирования.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем: получены экспериментальным путем аэродинамические характеристики входного устройства, распределение параметров потока как внутри, так и на выходе из ВУ осевой турбины сложной формы (не улиточного типа); определено обратное влияние соплового аппарата турбин на распределение параметров потока в ВУ осевой турбины сложной формы; разработана математическая модель расчета трехмерного потенциального потока несжимаемой жидкости в ВУ осевой турбины сложной формы и проверена ее адекватность; предложены методы аэродинамического совершенствования ВУ осевых турбин турбокомпрессоров судовых среднеоборотных дизелей; на основании результатов расчета и предложенных методов совершенствования ВУ изготовлены натурные модели входных устройств, а также проведены экспериментальные аэродинамические исследования.

Теоретическое значение результатов работы заключается в получении эмпирических зависимостей и математической модели расчета ВУ осевых турбин сложной формы, позволяющих выполнять расчет таких ВУ.

Практическая значимость работы состоит в том, что результаты аэродинамических экспериментальных исследований (входных устройств с сопловым аппаратом и без него) и математическая модель расчета ВУ осевых турбин турбокомпрессоров судовых дизелей применяются в виде рекомендаций по совершенствованию конструкций ВУ и программного комплекса. Это позволяет их использовать при проектировании и изготовлении турбокомпрессоров судовых дизелей.

Результаты экспериментальных исследований и разработанная математическая модель расчета внедрены в СКБТ (г. Пенза), используются в учебном процессе профилирующих кафедр СПбГМТУ и НГМА.

Достоверность научных результатов достигается комплексным использованием известных, проверенных практикой методов проведения аэродинамического эксперимента, тарировкой аэродинамических зондов, разработкой математической модели расчета на основе метода конечных элементов и фундаментальных законов и уравнений термодинамики и газодинамики, проверкой адекватности модели на точном решении и сравнении с результатами экспериментальных исследований.

На защиту выносятся: результаты аэродинамических экспериментальных исследований ВУ осевых турбин сложной формы (с сопловым аппаратом и без соплового аппарата); математическая модель расчета трехмерного потенциального потока несжимаемой жидкости в ВУ осевой турбины; рекомендации по совершенствованию ВУ осевых турбин сложной формы и результаты аэродинамических исследований ВУ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на международных, всероссийских (всесоюзных) и отраслевых научно-технических конференциях (НТК): всесоюзные НТК «Жизнь и компьютер» (Харьков, 1990), МВТУ имени Н.Э. Баумана (Москва, 1991); всероссийская НТК «Проектирование, эксплуатация и ремонт энергетических установок и их элементов» (Новороссийск, 1999); международная НТК «Надежность и ремонт машин» (Орел, 2005); НТК в СПбГМТУ и НГМА (Новороссийск, 2000).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ. Результаты исследований представлены в 3 отчетах по хоздоговорным и госбюджетным НИР.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списков использованной литературы (52 наименования) и списка опубликованных научных работ автора.

Заключение

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований входных устройств осевых турбин агрегатов наддува судовых дизелей, получены следующие научные и практические результаты:

1. Аэродинамические испытания ВУ осевой турбины сложной формы позволили заключить, что поворот из осевого направления в тангенциальное и затем в осевое направление привело к трансформации потока и как следствие привело к наличию неоднородности потока в выходном сечении. Наличие соплового аппарата снизило окружную неравномерность параметров течения на входе на сопловые лопатки, локализовало зону отрыва, но общий характер течения, обусловленный сложностью пространственной формы, остался неизменным. По-прежнему более нагруженным является первый сегмент сопел.

2. Исследовано обратное влияние соплового аппарата на характер течения в ВУ осевой турбины. Проведенные аэродинамические испытания ВУ с различными вариантами соплового аппарата позволили установить, что при равенстве площади горла соплового аппарата максимальная неравномерность расхода в выходном сечении ВУ существует в сопловом аппарате с максимальными углами атаки. При равенстве геометрического угла входа в сопловой аппарат снижение площади горла приводит к снижению окружной неравномерности расхода.

3. Разработана математическая модель трехмерного потока невязкой несжимаемой жидкости. В качестве метода расчета потенциальной модели применена вариационная формулировка метода конечных элементов МКЭ. При задании граничных условий учтено наличие и обратное влияние соплового аппарата осевой турбины.

4. Выполнена проверка работоспособности программного комплекса и адекватности математической модели на точном решении и в сравнении с экспериментальными данными. Сравнение результатов расчета с точным решением позволяет сделать вывод о наличии относительной погрешности не более 0,48%. Выполненный расчет входного устройства осевой турбины сложной формы показал хорошую сходимость результатов расчета и эксперимента. Погрешность отклонений расхода в контрольных сечениях составила 2,5%.

5. Численное моделирование входного устройства с использованием математической модели трехмерного потока невязкой несжимаемой жидкости позволило оптимизировать внешние формы ВУ различных вариантов. Определены формы воздействия на характер течения и окружную неравномерность расходной составляющей скорости путем установки во внутренних каналах выступов и клиньев, а также путем установки поворотного канала и изменения радиусов кривизны профилируемых поверхностей. Выполнены вариантные расчеты и найдены оптимальные формы для предложенных заказчиком вариантов ВУ осевых турбин симметричных форм с одним и двумя газоприемными патрубками, даны рекомендации для профилирования сопловых лопаток.

6. Проведены аэродинамические испытания экспериментальных моделей ВУ с симметричным подводом рабочей среды с одним и двумя газоподводящими патрубками, изготовленными по результатам численного моделирования. Испытания проводились при наличии и без соплового аппарата. Получено значительное снижение неравномерности расходной составляющей скорости в выходном сечении ВУ.

7. При экспериментальном исследовании обратного влияния СА установлено, что геометрический входной угол СА оказывает основное влияние на окружную неравномерность параметров потока в выходном сечении ВУ. Получена зависимость относительной величины расходной составляющей скорости от величины угла атаки, которая может быть использована при численном моделировании ВУ.

1. Афанасьева Н.Н, Бусурин В.Н., Гоголев И.Г. и др. Аэродинамические характеристики ступеней тепловых турбин / Под общ. ред. Черникова В.А.

2. JL: Машиностроение, 1980. — 263 с.

3. Быков А.А. Свинаренко В.Т. Исследование пространственного потока в каналах турбомашин. — Препр.: Институт проблем машиностроения АН УССР, 1987. — № 249. — 28 с.

4. Васильева Г.Н., Зыков В.И. Расчет течения во входных патрубках с элементами, обтекаемыми с циркуляцией // Рабочие процессы компрессоров и установок с ДВС. — Л., 1987. — С. 3—7.

5. Герман В.А. Разработка метода расчета и оптимизация симметричных улиток и несимметричных кольцевых сборных камер центробежных компрессоров // Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. — Л.: ЛПИ, 1985. — 20 с.

6. Гоголев И.Г. Аэродинамические исследования входного патрубка газовой турбины // Изв. вузов. Энергетика. — 1959. — № 11.

7. Гоголев И.Г., Дьяконов Р.И., Заикин И.Д. Исследование совместной работы турбинной ступени с входным патрубком // Изв. вузов. Энергетика. — 1975.11.

8. Гоголев И.Г., Королев П.В., Кудашев Ю.Д., Магала В.А., Шифрин Б.Н., Экспериментальное исследование сопловой решетки с входным патрубком-улиткой // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. — 1978. — № 4.

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

10. Довжик С.А., Картавенко В.М. Экспериментальное исследование входных патрубков осевых стационарных турбомашин // Сборник статей ЦАГИ.

11. Промышленная аэродинамика. — 1973. — Вып. 29.

12. Ю.Дорфман JI.A. Численные методы в газодинамике турбомашин. — М.: Энергия. —1974.

13. П.Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. — М.: Мир, 1975.

14. Кериди П.Г., Николаев Н.И., Савченко В.А., Тихомиров В.А., Шмелев С.Х. Численное и экспериментальное исследование входных устройств осевой турбины агрегата наддува дизеля // Двигателестроение. —1996.—№ 3—4.

15. Кокорев В.М., Лихерзак Е.Е. Некоторые результаты исследования течения в газосборнике автомобильного ГТД методом конечных элементов // Двигателестроение. — 1981. — № 3.

16. М.Коннор Дж., Бреббиа К. Метод конечных элементов в механике жидкости. — Л., 1979.

17. Мигай В.К., Гудков Э.И. Проектирование и расчет выходных диффузоров турбомашин. — Л.: Машиностроение, 1981.

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

19. Николаев Н.И., Кериди П.Г., Савченко В.А., Шмелев С.Х. Математическая модель расчета турбины и компрессора агрегата наддува ДВС с учетом экспериментальных данных // Сборник научных трудов НГМА. — Новороссийск: НГМА, 1999. — Вып. 4.

20. Николаев Н.И., Кериди П.Г., Шмелев С.Х., Тихомиров В.А., Савченко В.А. Программный комплекс расчета трехмерного вихревого потока в патрубках турбомашин // Материалы всесоюзной научно-технической конференции «Жизнь и компьютер». — Харьков, 1990.

21. Николаев Н.И., Савченко В.А. Современное состояние и техническая эксплуатация турбонаддувочных агрегатов. — СПб.: Судостроение, 2005. — 113 с.

22. Повх И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении. — М.-Л.: Машиностроение, 1965.

23. Розенберг Г.Ш., Ткачев Н.М., Кострыкин В.Ф. Центростремительные турбины судовых установок. — Л.: Судостроение, 1973.

24. Рухалин Г.И. Разработка метода расчета и исследование входных патрубков турбокомпрессоров // Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. — Л.: ЛПИ, 1979. — 17 с.

25. Сиволап Г.П., Жуков И.С. Развитие унифицированных трубокомпрессоров СКБТ для дизелей и газовых двигателей // Двигателестроение. — 1994.1. С. 54—56.

26. Табакофф, Шеоран, Кролл. Измерения параметров течения в улитке турбины // Теоретические основы инженерных расчётов. — 1980. — Т. 102.3.

27. Топунов A.M., Погодин Ю.М., Пшеничный В.Д., Шницер Г.Я. Судовые турбины, автоматизация проектирования и обработки экспериментальных данных: Учебное пособие. — JL: Изд. ЖИ, 1981.

28. Топунов A.M., Погодин Ю.М., Шуповаленко К.В. Определение осредненных показателей проточных устройств СЭУ: Учебное пособие. — Л.: Изд. ЛКИ, 1987.

29. Турбокомпрессоры для наддува дизелей: Справочное пособие. — М.: Машиностроение, 1975.

30. Хамед, Баскароне, Табакофф. Исследование течения в узле улитка — сопловый аппарат центростремительной турбины // Теоретические основы инженерных расчетов. — 1978. — Т. 100. — № 1. — С. 152—157.

31. Хирш Ч., Варзе Г. Метод конечных элементов для расчета течения в турбомашинах // Теоретические основы инженерных расчетов. — 1976. — №3. —С. 183—190.

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

33. Шерстюк А.Н., Зарянкин А.Е. Радиально-осевые турбины малой мощности.1. М.: Машиностроение, 1976.

34. Шерстюк А.Н., Мамедов З.М. О влиянии угла выхода потока и высоты канала безлопаточных направляющих аппаратов осевых турбин на ихэффективность // Труды МЭИ. — 1974. — Вып. 203.

35. Baines N.S., Watson N. Flow in single and twine entry radial turbine volutes // ASME Pap. — N. Lymberopoulos 1988. — № GT 58. — P. 1—8.

36. Chen Shou-Rue , Lee Samuel S., Huang Yuan Mao Mathematical Model For the Analysis of Fluid Flow in a Scroll // Trans. ASME. — 1986. — № 1.

37. Chiss Randall M., Hathay Machael D., Wood Jerry R. Experimental and Computational Results from The NASA Lewis Low-Speed Centrifugal Impeller at Design and Flow Conditions // ASME paper. — № 94-GT-213. — P. 1—44.

38. Giannakoglou K., Chaviaropous P., Papailiou K.D. Computation of rotational transonic flow using a decomposition method // AIAA Journal. — Athens National Technical University (Greece), 1988. — № 26. — 10 October.

39. Hideto Takaya, Kyooichi Vchiyama, Tsutomu Okazaki Turbine performance and flow at the nozzle passage in twine-scroll type variable geometry turbochargers // Trans. JSME. — 1988. — B. 54. — № 506. — P. 2792—2794.

40. Lakshminarasimha A., Tabakoff W., Metwally A. L.DV measurements in vortex region of a radial inflow turbine // AIAA Paper. — 1989. — № 1823. — P. 1— 12.

41. Nagao Mirumach A study of a vaneless nozzle for an axial turbine // 1-st Report Teoretical Analysis. — Urakawa Tokuro. — 1988. — B. 54. — № 505. — P. 2710—2715.

42. Niazi Saeid, Stein Alex, Sankar L.N. Development and Application of CFD solver to the Simulation of Centrifugal Compressors // AIAA Paper. — 98-0934(A98-16733), Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, 36th , Reno, NV, Jan. 12-15, 1998.

43. Ren Qin, Fenming Yi, Hongguang Wang. A new variational finite element computation for aerodynamic inverse problem in turbines with long blades // ASME Pap. — 1988. — № 275. — P. 1—6.

44. Sieros G., Papailiou K.D. Design of Small Centrifugal Compressors Using Advanced Computational Means // ERCOFTAC (European Research Community on Flow Turbulence And Combustion). — Bulletin. — № 42. September 1999.

45. Публикации по теме диссертации

46. Опубликованные работы в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ

47. Николаев Н.И., Кериди П.Г., Шмелев С.Х., Тихомиров В.А., Савченко В.А. Программный комплекс расчета трехмерного вихревого потока в патрубках турбомашин // Материалы всесоюзной научно-технической конференции «Жизнь и компьютер». — Харьков, 1990.

48. Кериди П.Г., Николаев Н.И., Савченко В.А., Тихомиров В.А., Шмелев С.Х. Численное и экспериментальное исследование входных устройств осевой турбины агрегата наддува дизеля // Двигателестроение. — 1996. — № 3—4.

49. Николаев Н.И., Кериди П.Г., Савченко В.А., Шмелев С.Х. Математическая модель расчета турбины и компрессора агрегата наддува ДВС с учетом экспериментальных данных // Сборник научных трудов НГМА. — Новороссийск: НГМА, 1999. — Вып. 4.

50. УТВЕРЖДАЮ» Генеральный директор