Введение к работе
Актуальность темы. Агрегаты турбонаддува (AT) нашли широкое применение в технологических, энергетических и транспортных силовых установках (СУ) для повышения их эффективности. Особенности работы AT, связанные с изменением режимов эксплуатации, приводят к необходимости поиска решений по совершенствованию конструкций и процессов регулирования AT, т. е. обеспечения соответствия их газодинамических характеристик (ГДХ) с характеристиками сети, которой, для AT являются рабочие полости силовой установки. ГДХ агрегатов турбонаддува, как и других турбомашин, выражают закономерности изменения их энергетических параметров от расходных, конструктивного исполнения, режима работы и являются незаменимым инструментом, как для проектирования, так и для эксплуатации.
Большой интерес представляет возможность применения высоконапорных агрегатов турбонаддува с авиационными рабочими колесами (РК) и регулируемыми входными направляющими аппаратами (ВНА), что требует создания более совершенных методик расчёта эксплуатационных параметров таких агрегатов в режимах регулирования.
На современном уровне развитие теории газодинамических процессов в турбомашинах и методов проектирования идет в направлении теоретического получения ГДХ решением задач трехмерного вязкого течения в отдельных элементах проточной части. Однако, трудность теоретической оценки влияния разных элементов проточной части агрегата на его ГДХ, приводит к тому, что достоверность получаемых при этом результатов, особенно для высоконапорных РК, работающих в области высоких окружных скоростей {U2 > 350 м/с) и условных чисел Маха (Ми = Ui I (kRTH) ' > 1) на внешнем диаметре D2, является невысокой. Это вызывает необходимость применения эмпирических методик, основанных на изучении и обобщении результатов многофакторных испытаний, что дает основание, на основе экспериментально полученных ГДХ, разрабатывать методики пересчета их на другие условия работы, в том числе, на режимах регулирования.
В существующей специальной литературе пригодные для проектирования методики определения ГДХ высоконапорных AT при меняющихся в процессе эксплуатации условиях работы (изменение частоты вращения ротора, угла поворота лопаток ВНА и др.), практически отсутствуют. Одним из наиболее эффективных способов регулирования AT, при заданной частоте вращения, является применение ВНА с поворотными лопатками. Поэтому, вопросы создания совершенных конструкций регулируемых AT с ВНА и разработки уточнённых методик определения их ГДХ в процессе эксплуатации на переменных режимах работы силовых установок, являются актуальными.
Объект исследования - агрегаты турбонаддува с осерадиальным рабочим колесом и регулируемым входным направляющим аппаратом. Цель и задачи исследования.
Целью настоящей работы является повышение эффективности высоконапорных агрегатов турбонаддува силовых установок за счёт совершенствования их конструкции и алгоритма регулирования.
В соответствии с этим необходимо решить следующие основные задачи:
выполнить экспериментальное исследование ГДХ высоконапорных компрессорных агрегатов авиационного типа на режимах регулирования поворотом лопаток ВНА в широком диапазоне изменения частот вращения;
разработать методику определения ГДХ для AT в процессе регулирования изменением угла потока воздуха перед РК с использованием эмпирических зависимостей, отражающих особенности авиационных РК полуоткрытого осера-диального типа;
разработать методологию определения конструктивных параметров AT, обеспечивающих максимальную эффективность работы силовой установки;
определить взаимосвязь характеристик AT и силовой установки от углов поворота лопаток ВНА и разработать рекомендации по алгоритму регулирования AT на переменных режимах работы;
разработать рекомендации по совершенствованию конструкций AT с регулируемым ВНА.
Связь темы диссертационного исследования с общенаучными, государственными программами. Работа выполнена в рамках госбюджетной НИР № 1551 «Поисковые исследования путей создания комбинированного двигателя нового типа на основе использования роторно-поршневого газогенератора и газотурбинной расширительной машины»; НИР № 13202 «Прогнозные исследования перспектив создания и модернизации воздухонезависимых энергетических агрегатов с комбинированным рабочим телом, энергетических и энерготехнологических установок на их базе на основе использования многопоточных энергосберегающих рабочих циклов и усовершенствованных конструктивных схем».
Научная новизна заключается в следующем:
в результате проведенных испытаний и анализа ГДХ для семи значений частот вращения, соответствующих диапазону окружных скоростей Ui = 394... 546 м/с (условных чисел Маха Ми = 1,1... 1,6) и для девяти углов поворота лопаток ВНА относительно исходного положения в диапазоне А9Л = -15... +30 установлено, что эффективность регулирования (по КПД, производительности, отношению давлений, глубине регулирования) обеспечивается в диапазоне углов поворота лопаток ВНА относительно исходного положения +20...-10 (+40.. .+10 относительно осевого положения лопаток);
разработана методика получения ГДХ AT (отношения давлений, расхода воздуха, КПД) для различных углов поворота ВНА относительно исходной ГДХ
с учетом особенностей высоконапорных осерадиальных РК, в частности: наличия предварительно установленного угла поворота лопаток ВНА потока перед РК в исходном положении; изменения структуры потока на выходе из РК (изменение закрутки потока Си2); влияния потерь в лопаточной решетке ВНА и угла отставания потока от лопаток ВНА на газодинамические параметры;
разработана методология определения параметров AT на базе высоконапорных РК с поворотными лопатками ВНА для заданных технических характеристик СУ;
разработан алгоритм взаимосвязи между углами поворота лопаток ВНА регулируемого AT и частотой вращения вала СУ с целью обеспечения требуемых эксплуатационных параметров с максимальной эффективностью.
разработаны рекомендации по конструированию AT с регулируемым ВНА, новизна которых подтверждена патентом на изобретение и двумя патентами на полезную модель.
Практическая ценность состоит в следующем:
разработаны рекомендации по выбору угла поворота лопаток ВНА при изменении режима работы AT;
разработаны рекомендации по конструированию и расчёту AT с регулируемым ВНА;
показана возможность эффективного применения серийно выпускаемых авиационных центробежных компрессоров в AT с регулируемым ВНА, в том числе в составе силовых агрегатов наземного применения;
на основе проведенного анализа взаимосвязи ГДХ AT с осерадиальным РК и регулируемым ВНА с характеристиками дизельного силового агрегата 6ДМ-21А разработаны рекомендации по углам поворота ВНА в зависимости от оборотов вала силового агрегата от 900 до 1500 об/мин, обеспечивающих увеличение максимальной мощности и крутящего момента от 2,9 % (при п = 1260 об/мин и Д#л = +5) до 11,2 % (при п = 1020 об/мин и Д#л = +20) на режимах регулирования;
результаты работы, а именно, результаты анализа экспериментальных исследований и методики определения ГДХ при изменении угла поворота лопаток ВНА внедрены и используются в ОАО «Омское моторостроительное конструкторское бюро».
Достоверность полученных в работе результатов подтверждается:
применением в методике расчёта фундаментальных законов физики, газовой динамики, термодинамики, апробированных эмпирических зависимостей, обоснованным выбором расчётной схемы;
применением современных измерительных приборов и оборудования, допущенных к применению Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии Министерства промышленности и энергетики РФ в соот-
ветствии с ПР 50.2.009-94 - «Государственная система обеспечения единства измерений. Порядок проведения испытаний и утверждение типа средств измерений», аттестованных по ГОСТ Р 8.568-97 - «Государственная система обеспечения единства измерений. Аттестация испытательного оборудования»;
применением автоматизированной информационно-измерительной системы при проведении и обработке экспериментальных исследований;
удовлетворительным совпадением результатов расчёта ГДХ по разработанной методике с экспериментальными данными для двух исследованных авиационных турбокомпрессорных агрегатов.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на XIV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике (Казань, 2007); на Международной научно-технической конференции «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплоэлектротехнологиях» (Омск, 2010); на XV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике (Казань, 2011); на VIII Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 6 тезисов докладов, 1 патент на изобретение, 2 патента на полезную модель.
Объём работы. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Диссертация содержит 161 страницы текста, 71 рисунка, 4 таблицы. Список литературы включает 140 наименований.
