Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ данных по эксплуатации, методов исследования радиально- осевых турбин турбокомпрессоров судовых среднеоборотных дизе лей и математических моделей, описывающих движение газа. становка задачи исследования 11
1.1. Анализ данных по эксплуатации турбокомпрессоров с радиаль-но-осевыми турбинами 11
1.2. Методы исследования входных устройств турбокомпрессоров судовых дизелей 16
1.3. Математическая модель, описывающая течение вязкой сплошной сжимаемой однокомпонентной среды 24
1.4. Модели турбулентности, использованные при описании турбулентного течения вязкой сплошной сжимаемой однокомпонентной среды 33
1.5. Модель для описания турбулентных течений вблизи твердых стенок 41
1.6. Постановка граничных условий для модели турбулентного течения сплошной вязкой однокомпонентной среды 45
1.7. Математическая модель течения двухкомпонентных сред 51
1.8. Постановка задачи исследования 59
Глава 2. Объекты исследования, математическая и геометрическая модели радиально-осевой турбины с безлопаточным направляющим аппа ратом. Исследование физико-химических свойств материалов вход ных устройств и сопловых аппаратов радиально-осевых турбин тур бокомпрессоров 61
2.1. Турбокомпрессоры с радиально-осевыми турбинами 61
2.2. Математическая модель, описывающая процессы течения вязкой сплошной сжимаемой двухкомпонентной рабочей среды в радиально-осевой турбине турбокомпрессора судового дизеля 63
2.3. Геометрическая модель радиально-осевой турбины с безлопаточным направляющим аппаратом 67
2.4. Исследование химических, металлографических и механических свойств входных устройств и сопловых аппаратов турбокомпрессоров с радиально-осевой турбиной 73
Глава 3. Построение конечно-объемной модели и расчетной сетки объ ектами исследования. Анализ турбулентного течения сплошной среды в проточной части радиально-осевой турбины турбоком прессора 79
3.1. Расчетная сетка во входном устройстве и рабочем колесе 79
3.2. Исходные данные и граничные условия для расчета течения в проточной части турбины 85
3.3. Результаты расчета течения во всей турбине. Определение граничных условий для расчета течения во входном устройстве 88
3.4. Расчет течения во входном устройстве с безлопаточным направляющим аппаратом 95
Глава 4. Расчетное исследование движения дискретных частиц во входном устройстве с безлопаточным направляющим аппаратом радиально- осевой турбины турбокомпрессора 107
4.1. Исходные данные и граничные условия для расчета движения дискретных частиц 107
4.2. Исследование влияния степени упругости соударения частиц с поверхностью стенок канала и формы крупных частиц на параметры движения 110
4.3. Исследование влияния распределения частиц по входному сечению и их начальной скорости на параметры движения частиц 115
4.4. Исследование влияния размеров частиц на параметры их движения 124
4.5. Оценка характеристик абразивно (эрозионно) -опасных потоков твердых частиц 133
4.6. Способы снижения износа проточной части радиалыю-осевой турбины турбокомпрессоров судовых дизелей 137
Заключение 142
Список использованных источников 145
Список опубликованных работ автора 150
- Методы исследования входных устройств турбокомпрессоров судовых дизелей
- Математическая модель, описывающая процессы течения вязкой сплошной сжимаемой двухкомпонентной рабочей среды в радиально-осевой турбине турбокомпрессора судового дизеля
- Результаты расчета течения во всей турбине. Определение граничных условий для расчета течения во входном устройстве
- Исследование влияния распределения частиц по входному сечению и их начальной скорости на параметры движения частиц
Введение к работе
Актуальность проблемы исследования. В качестве агрегатов наддува судовых среднеоборотных дизелей применяются турбокомпрессоры (ТК), имеющие высокие значения степени повышения давления и КПД. Благодаря разработкам ведущих фирм в области производства турбокомпрессоров, таких как ABB, MAN B&W, Mitsubishi, СКБТ (г. Пенза) и др., применены конструкторские решения для проектирования и последующего изготовления современных высоконапорных и экономичных ТК с осевой и радиально-осевой (РОС) турбинами судовых дизелей мощностью от 100 до 3500 кВт.
В ТК современных судовых четырехтактных дизелей мощностью до 3500 кВт, как правило, применяются РОС газовые турбины. Входные устройства (ВУ) таких турбин выполняются в виде улитки и могут быть как с направляющим аппаратом, так и без него (безлопаточные направляющие аппараты). Анализ отказов и неисправностей ТК по имеющимся на данный момент публикациям, свидетельствует о том, что их надежность в процессе эксплуатации не высокая. Одной из причин низкой надежности ТК с РОС турбиной является износ внутренней поверхности ВУ с безлопаточным направляющим аппаратом. В настоящее время сложилась ситуация, характерная тем, что исследования на стадии проектирования ТК, направленные на повышение надежности элементов турбомашин не в полной мере учитывают условия их реальной эксплуатации, не достигнут требуемый уровень надежности. Суть проблемы в том, что в качестве топлива в судовых дизелях используются тяжелые сорта вязкостью 180-380 сСт и более. Эксплуатация судовых дизелей на тяжелом топливе приводит к тому, что в продуктах сгорания образуются твердые взвешенные частицы. Эти частицы имеют различные размеры и форму, скорости и физические свойства. Присутствие твердых (абразивных) частиц в движущемся потоке уходящих газов (двухкомпонентная рабочая среда) дизеля при соприкосновении с поверхностью входного устройства, лопаточного аппарата РОС турбины ТК вызывает их изнашивание.
Изучение процессов движения двухкомпонентной рабочей среды в проточных частях РОС ступеней турбин ТК и влияние их на износ элементов турбин находится в начальной стадии. Поиск решения обозначенной проблемы диктует выбор объекта исследования и постановки цели и задач работы. Подтверждением правильности нашего выбора следует то, что в докладах на конгрессе CIMAC 2004 отмечается, что для обеспечения надежности ТК судовых дизелей, работающих на тяжелых сортах топлива, существует необходимость разработки методов анализа процессов течения продуктов сгорания тяжелого топлива, сущности износов в элементах ТК и на основании выявленных причин - выработки технологических решений по их предотвращению на всех стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации.
Объект исследования - проточная часть радиально-осевой турбины с безлопаточным направляющим аппаратом современных турбокомпрессоров судовых дизелей.
Цель и задачи работы. Цель работы - анализ течения газа в радиаль-но-осевых турбинах с безлопаточным направляющим аппаратом (БНА) турбокомпрессоров судовых дизелей и процессов их износа на основе расчета турбулентного течения двухкомпонентной рабочей среды.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
исследование химических, металлографических и механических свойств материалов ВУ и направляющих аппаратов РОС турбин современных ТК;
постановка и проведение численного эксперимента по исследованию параметров течения рабочей среды с примесями твердых частиц, имеющих различные характеристики (упругость соударения со стенкой, размер, форма, начальная скорость, расположение на входе в ВУ), во входном устройстве с БНА и рабочем колесе РОС турбины;
исследование влияния параметров абразивно (эрозионно)-опасных частиц на износ внутренней поверхности ВУ;
разработка рекомендаций по снижению износа спиральной камеры ВУ.
Методы решения поставленных задач. В диссертационной работе использованы экспериментально-теоретические методы исследования. Основные научные результаты получены с применением современных научно-исследовательских приборов и программных комплексов. Химический анализ образцов был выполнен спектральным методом по программе CHUGUN и ST в режиме РА по трем прожигам на каждом образце с определением среднего значения полученных данных. Исследование микроструктуры образцов было осуществлено на шлифах, травленных 4-х процентным раствором HN03 при 100-кратном и 500-кратном увеличении на микроскопе Carl Zeiss Vision. Твердость исследуемых образцов определялась по методу Бринелля с помощью прибора TLL 2 (ГОСТ 90 12 - 59). Для моделирования турбулентного течения двухкомпонентной рабочей среды использован численный метод конечных объемов (МКО). Геометрические модели построены с использованием программного пакета Solid Works. Расчетная сетка создана с помощью программного комплекса Gambit фирмы Fluent. Расчет течения выполнен автором с использованием специализированного программного комплекса вычислительной динамики жидкости и газа фирмы Fluent.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
впервые проведен анализ процессов течения продуктов сгорания тяжелого топлива и износа входных устройств РОС турбин ТК судовых дизелей на основе расчета турбулентного течения двухкомпонентной рабочей среды;
исследовано влияние параметров двухкомпонентной рабочей среды на протекание процесса износа элементов проточной части РОС турбин ТК.
Теоретическое значение результатов заключается в том, что предложен комплексный подход, позволяющий анализировать сложную структуру реального потока продуктов сгорания двигателя в проточной части РОС турбин ТК с учетом наличия твердых частиц, прогнозировать влияние этих частиц на износ элементов турбин ТК.
Практическая значимость работы заключается в том, что:
предложен эффективный теоретико-расчетный метод анализа течения газа и процессов износа входных устройств РОС турбин ТК судовых дизелей, работающих на тяжелых сортах топлива;
реализация этого метода анализа позволяет получить необходимую информацию о влиянии различных эксплуатационных факторов на характер движения двухкомпонентной среды и, как следствие, на процесс износа ВУ РОС турбин с БНА и рассмотреть возможные способы снижения этого износа;
в результате численного эксперимента установлены особенности движения и параметры абразивноопасных потоков твердых частиц в спиральной камере ВУ;
предложены способы снижения износа спиральной камеры ВУ;
результаты выполненных исследований внедрены в департаменте технической эксплуатации флота ОАО «Новороссийское морское пароходство» (^Новороссийск) и учебный процесс МГА им. адм. Ф.Ф.Ушакова (гЛоюроссийск).
Достоверность научных результатов обеспечивается постановкой задачи, базирующейся на основных уравнениях динамики газа, применением современных программных комплексов расчета с использованием МКО и проверкой адекватности модели течения путем наблюдения за состоянием реальных элементов турбин ТК судовых дизелей, работающих на тяжелом топливе.
На защиту выносится:
метод анализа процессов течения газа ВУ РОС турбин ТК судовых дизелей на основе расчета турбулентного течения двухкомпонентной рабочей среды;
данные численного эксперимента по определению параметров частиц, участвующих в процессе интенсивного износа ВУ РОС турбин ТК;
результаты численного моделирования процессов износа ВУ РОС турбин ТК.
Апробация и внедрение результатов исследования. Содержание диссертации обсуждалось и получило одобрение в Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете и Морской государственной академии имени адмирала Ф.Ф. Ушакова (г. Новороссийск), на семинаре «Высокие технологии в вычислительной гидрогазодинамике. Программные комплексы Fluent и Concept NREC» (г. Санкт-Петербург, 13-14 марта 2006 г.). Основные положения и результаты опубликованы в виде докладов и тезисов на Международной научно-технической конференции «Надежность и ремонт машин» (г. Орел, 2005 г.) и научно-технических конференциях МГА им. адмирала Ф.Ф. Ушакова (2003 - 2005 гг.) и СПбГМТУ (2005 г.).
Публикации. Основная часть материала прошла рецензирование и опубликована в виде научных статей в следующих изданиях: Труды НГМА (2003 г.), журнал «Двигателестроение» (№3, 2005 г.), Известия ВУЗов Северо-Кавказского региона, техн. науки (Спецвыпуск 2006 г.), Известия ВУЗов Северо-Кавказского региона, техн. науки, (Приложение к №3, 2006 г.). Из них четыре статьи в ведущих рецензируемых журналах ВАК.
Результаты исследования используются в курсе лекций, читаемых для курсантов и слушателей курсов повышения квалификации МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова.
Методы исследования входных устройств турбокомпрессоров судовых дизелей
В настоящее время в практике проектирования ТК и, конечно, ВУ применяются теоретические и экспериментальные методы исследования [18]. Основными требованиями, предъявляемыми к ВУ, является обеспечение осе-симметричности потока и оптимальных углов входа на рабочие лопатки турбины при приемлемых массогабаритных показателях. Теоретическое иссле дование реального потока сопряжено с трудностями, вызванными пространственной неоднородностью течения, наличием вязкости, сжимаемости и нестационарности. Разработка методики, учитывающей реальные свойства рабочего тела, представляет собой сложную задачу. Опубликованные в литературных источниках методики базируются на принятых допущениях относительно физической модели течения. Экспериментальные методы исследования ВУ на специальных стендах позволяют определить и оптимизировать геометрические и аэродинамические характеристики ВУ; определить начальные и граничные условия для корректной постановки задачи и т.п. Однако экспериментальные исследования требуют значительно большего времени и затрат и при их проведении трудно учесть такие эксплуатационные факторы, как наличие твердых взвешенных частиц.
В рамках модели идеальной несжимаемой жидкости были получены зависимости, определяющие связь параметров потока с геометрическим профилем безлопаточного направляющего аппарата РОС турбины [19-21]. Для решения систем уравнений вводится допущение линейной зависимости изменения расхода по окружности и сохранение момента количества движения [19].
В работе [20, 21] рассматриваемое течение потока в БНА РОС турбины условно разбивается на два направления: окружное и радиальное. Записывается уравнение неразрывности для каждого направления течения и рассматривается их баланс. В систему включаются уравнения сохранения момента количества движения; плотность принимается неизменной величиной. Экспериментальная проверка спрофилированной таким образом улитки не производилась.
Особую ценность представляют исследования, учитывающие пространственную структуру потока. В работах [22 - 24] производится анализ течения в ВУ центростремительной турбины на основе идеальной жидкости. Исследовался узел улитка (ВУ) - направляющий аппарат на основе двумерного потенциального потока несжимаемой жидкости. В качестве особенно стей методики следует отметить: учет направляющего аппарата; использование для решения метода конечных элементов, расчетная сетка области течения вблизи лопаток сгущалась более сильно. Для учета условия Жуковского на выходной кромке лопаток вводились радиальные разрезы бесконечно малой ширины, и на них допускался скачок потенциала. Приведены результаты расчета потока во входном устройстве без сравнения с экспериментом.
В работах [23, 24] в рамках потенциальной модели рассматривался трехмерный сжимаемый поток. Наличие направляющего аппарата не учитывалось, так как его учет для трехмерного потока являлся сложной задачей. В работе приведены сравнения с экспериментальными данными, которые были получены с использованием пленочного термоанемометра [24]. Делается вывод о хорошем согласовании результатов, хотя величина погрешности определения скорости достигает 30 - 40%.
МКО и МКЭ, первоначально разработанный применительно к строительной механике, в последние десятилетия активно используется при решении задач динамики жидкости. В этих методах расчетная область заменяется совокупностью некоторого числа объемов (элементов), соединенных между собой в узлах. Искомая функция в пределах каждого объема (элемента) аппроксимируется через значения в узлах и через интерполирующие функции, которые выбираются гладкими в каждом объеме (элементе), но во всей области являются кусочно-гладкими. Исходная задача сводится к системе линейных алгебраических уравнений относительно узловых неизвестных с помощью метода Галеркина или вариационного функционала Ритца. Преимуществами МКО являются: - относительная простота структуры матрицы системы уравнений, содержащей много нулевых элементов; - возможность произвольно производить дискретизацию расчетной области, сгущая сетку в местах наибольшего градиента искомых величин; - возможность легко учесть сложную геометрию рассчитываемой области и произвольные граничные условия на криволинейных границах.
Впервые МКЭ для расчета потока в турбомашинах был освещен в работе [25]. Было рассмотрено осесимметричное вихревое течение идеального сжимаемого газа в решетках лопаток. Осредненные по окружности уравнения движения образуются с использованием функции тока. Для решения этого уравнения был использован метод Галеркина. Использование МКЭ позволило преодолеть трудности, связанные с определением аппроксимирующих выражений в методе кривизны линий тока, и легко учесть криволинейные формы ограничивающих поверхностей, что вызывало трудности в методе конечных разностей. Область течения аппроксимировалась с помощью четырехугольных изопараметрических восьмиузловых конечных элементов. В статье приведен пример расчета осесимметричного поворотного канала.
Ряд программ расчета ВУ ТК был разработан в работе [26]. Метод расчета потока базировался на модели потенциального течения идеального сжимаемого газа с применением МКЭ. Выбор метода был обусловлен сложной геометрией расчетной области. Сравнение теоретических и экспериментальных данных для ВУ показало хорошее совпадение для патрубков с безотрывным характером течения. Для расчета ВУ с отрывными зонами была составлена программа расчета пограничного слоя, которая позволяет получить местонахождение точек отрыва потока. Затем были разработаны суммарные критерии, по которым можно было судить о качестве исследуемого ВУ. В качестве таких критериев были предложены критерии неравномерности потока в выходном сечении, основанные на осреднении кинетической энергии по расходу, а также положение точки отрыва потока. Введение критериев для оценки параметров потока позволило поставить задачу о создании оптимальных форм ВУ. При этом находится минимальное значение коэффициента неравномерности при условии безотрывного течения. Минимизация осуществляется путем изменения форм ВУ. Применение разработанных программ для патрубка промежуточной ступени центробежного компрессора позволило снизить степень неравномерности потока на 27 %. Следует отметить, что
Математическая модель, описывающая процессы течения вязкой сплошной сжимаемой двухкомпонентной рабочей среды в радиально-осевой турбине турбокомпрессора судового дизеля
В процессе решения прикладной технической задачи необходимо выполнение следующих этапов: - выбор физической модели; - построение математической модели; - численная реализация математической модели.
При выборе физической модели нужно учитывать следующие обстоятельства: - соответствие результатов полученных в рамках принятой модели действительному характеру течения; - наличие математической модели, позволяющей реализовать физическую модель; - возможность реализации математической модели на ЭВМ с учетом развития современного программного обеспечения и электронно-вычислительной техники.
Реальное течение продуктов сгорания судовых двигателей, работающих на тяжелых сортах топлива, в проточной части ВУ и РОС ступени турбины ТК достаточно сложно. Во-первых, оно является пространственным турбулентным течением сжимаемой жидкости. Во-вторых, продукты сгорания представляют собой двухкомпонентную среду, состоящую из газа с примесями твердых взвешенных частиц различных размеров, формы и т.п.
Для решения задач описания течения в проточной части радиально -осевой турбины используем более простой подход, связанный с использованием осредненных уравнений Навье-Стокса (уравнений Рейнольдса), замыкаемых полуэмпирическими моделями турбулентности. Этот метод моделирования турбулентных течений наиболее часто применяется для решения практических задач, так как для его реализации требуются наименьшие вычислительные ресурсы, а, следовательно, и наименьшая стоимость работ.
В векторном виде осредненные уравнения сохранения массы, количества движения и энергии будут иметь следующий вид: учитывает перенос тепла за счет молекулярного (Я) и турбулентного движения; ср - теплоемкость рабочей среды; pt - турбулентная вязкость (определение этого параметра дается в следующих параграфах); Рг, - турбулентное число Прандтля (для воздуха 0,85).
Для расчета движения твердых частиц использована модель переноса частиц, основанную на приближении Эйлера-Лагранжа. Основное соотношение для расчета движения частиц - уравнение баланса сил, действующих на частицу: где FD(u-up)- сила сопротивления, действующая на единицу массы частицы; второе слагаемое в правой части- сила гравитации; и - скорость сплошной среды; ир- скорость частицы, р и рр- плотность сплошной среды и материала частицы соответственно; gx -ускорение свободного падения, Fx -дополнительные массовые силы (например, центробежные). Параметр силы сопротивления определяется по следующему выражению: где d - диаметр частицы, Co - коэффициент сопротивления.
В настоящей работе используется модель турбулентности К-є которая в настоящее время наиболее широко используются для анализа турбулентных течений в проточных частях турбомашин. Используется линейная связь тензора турбулентных напряжений и тензора скоростей деформации осредненного движения:
В К - є модели турбулентная вязкость определяется по параметрам пуль-сационного течения: по К - кинетической энергии пульсационной составляющей скорости (турбулентной кинетической энергии) и по є - скорости диссипации турбулентной кинетической энергии. (Обозначение є для скорости диссипации принято в большинстве литературных источников и его не следует путать с принятым ранее обозначением тензора скоростей деформаций и его компонентов): где Сц - эмпирическая функция или константа. В К-є модели уравнение для переноса турбулентной кинетической энергии записывается так:
Параметры, входящие в это уравнение расшифрованы ниже. Левая часть этого уравнения представляет собой изменение параметра К в контрольном объеме и его перенос через поверхность, окружающую этот объем, при стягивании объема в точку. В правой части представлены факторы, изменяющие параметр К. Первый член описывает перенос (диффузию) параметра за счет молекулярного и турбулентного обмена при наличии градиента этого параметра (аналог теплопроводности). Второй член - GK учитывает "производство" турбулентной кинетической энергии из-за наличия градиентов осреднен-ной скорости, третий член- Gb учитывает производство К под действием Архимедовых сил (при значимом влиянии сил тяготения). Четвертый р є и пятый YM члены определяют "исчезновение" (диссипацию) турбулентной кинетической энергии. Параметр и к -турбулентное число Прандтля для турбулентной кинетической энергии.
Уравнение для переноса скорости диссипации турбулентной кинетической энергии є имеет структуру, аналогичную уравнению для переноса К:
Таким образом, приведенная система уравнений (2.1 - 2.6) для трехмерного турбулентного движения вязкой сжимаемой двухкомпонентной среды позволит выполнить анализ процессов течения продуктов сгорания двигателя в проточной части ВУ и РОС ступени турбины ТК.
В качестве инструмента исследования выбран программный комплекс Fluent, который является одним из лучших программных комплексов в мире, реализующих современные методы вычислительной гидро- газодинамики (CFD analysis). Блок-схема программного комплекса приведена на рис 2.3.
Результаты расчета течения во всей турбине. Определение граничных условий для расчета течения во входном устройстве
Для оценки качества расчетной сетки вблизи твердых границ канала обычно используют безразмерное расстояние от стенки до центра первой ячейки у+. Этот параметр зависит от скоростей движения рабочей среды и, поэтому, окончательное его значения устанавливается после завершения расчета. В результате расчета течения в проточной части РОС турбины ТК с использованием к - є модели турбулентности и стандартной функции стенки получены значения у+, показанные на рис. 3.11.
Полученные значения у+ вполне допустимы для случая анализа течения, когда расчетные потери энергии в пограничных слоях не являются важ нейшими параметрами задачи. Основной задачей данного расчета являлось определение поля скоростей газа во входном устройства, которое в дальнейшем будет использовано для анализа движения твердых частиц.
Рассмотрим далее основные результаты расчета параметров турбулентного потока во всей проточной части и в рабочем колесе.
На рис.3.13. показано поле векторов скоростей в проточной части. В области ВУ показано поле векторов абсолютной скорости, а в области РК векторы относительной скорости.
Из-за трудностей наглядного представления трехмерных полей в проточной части сложной геометрии далее более подробно рассмотрим изменение параметров только в РК. Поскольку основной задачей данной работы являлось исследование ВУ, основные результаты исследования течения во входном устройства приведены в отдельном параграфе 3.4. На рис. 3.14 приведено распределение статического давления по твердым поверхностям РК.
На рис. 3.15 приведено распределение векторов относительной скорости по средней осесимметричной поверхности, рассекающей РК по середине лопатки.
В результате расчета были получены также распределения параметров турбулентности в ВУ и РК. Данные по ВУ приведены в параграфе 3.4. На рис. 3.18 и 3.19 показано изменение кинетической энергии турбулентных пульсаций (к) и скорости диссипации кинетической энергии турбулентных пульсаций (є) на твердых поверхностях РК. Рис. 3.18. Изменение кинетической энергии турбулентных пульсаций (к) на твердых поверхностях рабочего колеса Из анализа распределения кинетической энергии турбулентных пульсаций следует, что наибольший рост турбулентности происходит на входных кромках и вблизи периферийной ограничивающей поверхности. На входных кромках это связано с наличием небольших углов атаки на профили, а у периферийной поверхности турбулентность растет из-за взаимодействия вращающихся лопаток с пограничным слоем на неподвижной ограничивающей поверхности. Кроме того, в зоне пограничного слоя наблюдаются повышенные углы атаки (скорость натекания уменьшается к стенке, а окружная скорость неизменна), что можно обнаружить также на рис.3.13. Рис. 3.19. Изменение скорости диссипации кинетической энергии турбулентных пульсаций (є) на твердых поверхностях рабочего колеса
В этом разделе более подробно рассмотрены параметры вихревого турбулентного течение газа во входном устройстве ТК ДВС. Расчет течения в ВУ выполнялся в двух вариантах: - при работе ВУ в составе РОС ступени (с РК); - при работе ВУ без РК. Рассмотрим более подробно результаты расчета течения в ВУ при его работе в составе РОС ступени.
Для анализа выделена область ВУ от входного сечения до цилиндрической поверхности на входе в РК. На рис. 3.20 - 3.22 показано распределение статического давления в ВУ. На рис. 3.20 приведено статическое давление в плоскости ортогональной оси вращения ротора, проходящей через середину спиральной камеры. На рис. 3.21 приведено статическое давление в поперечных сечениях спиральной камеры. На рис. 3.22 показано распределение статического давления по цилиндрической поверхности на входе в РК. Следует отметить достаточно равномерное распределение статического давления по спиральной камере и на входе в РК, что показывает в целом правильно выбранное распределение площадей проходных сечений ВУ
Рассмотрим теперь изменение скоростей в ВУ. На рис. 3.24 показано изменение абсолютной скорости в плоскости ортогональной оси вращения ротора, проходящей через середину спиральной камеры. На рис. 3.25 приведены распределение векторов проекций абсолютной скорости на плоскость поперечного сечения спиральной камеры (векторы раскрашены в масштабе величины абсолютной скорости) для четырех поперечных сечений (см. рис. 2.5). На рис. 3.26 и рис. 3.27 показано распределение абсолютной и относительной скорости по цилиндрической поверхности на входе в область РК.
Рис. 3.25 (а). Распределение векторов проекций абсолютной скорости на плоскость поперечного сечения спиральной камеры (векторы раскрашены в масштабе величины абсолютной скорости) для поперечных сечений 1 и Рис. 3.27. Распределение относительной скорости по цилиндрической поверхности на входе в область рабочего колеса
По результатам анализа распределения скоростей в ВУ кратко можно отметить следующее. На входе в РК абсолютная скорость распределена в окружном направлении достаточно равномерно (см. рис. 3.26), что подтверждает сделанный ранее вывод об удачном подборе закона изменения площадей поперечных сечений спиральной камеры. Локальное профилирование поперечных сечений вероятно сделано менее удачно. Из-за малых радиусов скруглення при выходе потока из спиральной камеры в части ее поперечных сечений (с левой стороны на рис. 3.25 а, б, в) образуется заметная отрывная зона потока. Это приводит к образованию вихря и повышенной неравномерности параметров в осевом направлении на входе в РК. Однако вполне возможно, что это сделано специально с целью уменьшения окружной неравномерности потока на входе в РК и для прикрытия зоной отрыва входа в зазор за диском РК. Отрыв потока в этом месте может несколько снижать величину утечки в указанный зазор, а наличие самой утечки, которая в нашем расчете не учитывалась, будет способствовать отсосу рабочей среды из зоны отрыва и, соответственно, локализации этого отрыва.
В результате расчета были получены также распределения параметров турбулентности в ВУ. На рис. 3.28 и 3.29 показано изменение кинетической энергии турбулентных пульсаций (к) и скорости диссипации кинетической энергии турбулентных пульсаций (є) в пределах ВУ. Отмеченные ранее отрывы потока и вторичные течения способствуют интенсификации турбулентных пульсаций, что выражается в появлении зон повышенной кинетической энергии турбулентных пульсаций (см. рис 3.28). Как было отмечено ранее, расчет течения в ВУ выполнялся в двух вариантах:
Исследование влияния распределения частиц по входному сечению и их начальной скорости на параметры движения частиц
Распределение частиц во входном сечении может изменяться в зависимости от конструкции устройств, подводящих газ к ВУ ТК. Изгиб подводящей трубы перед входным фланцем приведет к смещению облака крупных частиц к одной из стенок ВУ. Для анализа возможного влияния этого фактора на параметры движения частиц в зоне износа выполнено специальное расчетное исследование. В этом исследовании варьировалась зона входного сечения, из которой осуществлялся выпуск частиц. При этом общий расход частиц оставался неизменным, а точки выпуска соответствовали показанным на рис. 4.1. Рассмотренные варианты варьирования зон выпуска частиц во входном сечении показаны на рис. 4.5.
Остальные параметры начальных и граничных условий для расчета движения частиц в этом исследовании оставались постоянными и принимали следующие значения: размер частиц равен 0,5 мм, коэффициента формы частиц =0,7, нормальный коэффициент восстановления е„=0,8 и тангенциальный коэффициент восстановления е, =0,9.
Результаты исследования показаны на рис. 4.6 - 4.9 в виде пространственных траекторий движения частиц, раскрашенных в соответствие со скоростью движения частицы.
Из анализа результатов приведенного исследования можно сделать следующий вывод. Изменение места расположения впуска частиц во входном сечении несколько изменяет вид траекторий движения частиц, однако, в области повышенного износа патрубка во всех случаях твердые частицы концентрируются в периферийной области спиральной камеры, наиболее удаленной от оси вращения турбины. В этом же месте они достигают наибольших скоростей, близких по величине к скорости газового потока.
Величина скорости твердых частиц во входном сечении ВУ в общем случае зависит от предыстории течения, т.е. от конструкции устройств, подводящих газ к ТК. На величину скорости могут влиять различные факторы и поэтому она может колебаться в широких пределах.
В данной работе выполнено специальное исследование влияния скорости движения твердых частиц во входном сечении ВУ на параметры движения частиц внутри патрубка. Начальная скорость движения частиц задавалась в долях от скорости движения потока газа и варьировалась в пределах стІСрт= 0 - 0,87. Рассмотрены варианты для относительной начальной скорости равной / =0,33 0,65 0,87. Остальные параметры начальных и граничных условий для расчета движения частиц в этом исследовании оставались постоянными и принимали следующие значения: размер частиц равен 0,5 мм, коэффициент формы час-тиц =0,7, нормальный коэффициент восстановления е„=0,8 и тангенциальный коэффициент восстановления е,=0,9. Принято равномерное распределение частиц во входном сечении. Расположение 9 точек впуска показано на рис. 4.1.
Основные результаты расчетного исследования показаны на рис. 4.10- 4.12 в виде пространственных траекторий движения частиц, раскрашенных в соответствие со скоростью движения частицы. теристики движения частиц в начальной и средней части спиральной камеры. Чем больше начальная скорость, тем больше начальный импульс частицы и поэтому при первых соударениях со стенкой происходит более интенсивный отскок. Однако по мере продвижения по спиральной камере крупные твердые частицы, имеющие различные начальные скорости, концентрируются в периферийной области спиральной камеры, наиболее удаленной от оси вращения турбины. В этом же месте они достигают наибольших скоростей, близких по величине к скорости газового потока.
Таким образом, по результатам приведенного в этом параграфе исследования можно сделать следующий вывод. Изменение места расположения впуска частиц во входном сечении и начальной скорости несколько изменяет вид траекторий движения частиц в начальной и средней части спиральной камеры. Однако параметры движения крупных частиц в зоне износа (вблизи «языка») слабо зависят от величины начальной скорости и места расположения впуска частиц во входном сечении.
Для определения характеристик абразивно-опасных потоков было выполнено исследование влияния размеров твердых частиц на параметры их движения. Исследование выполнялось при изменении размеров твердых частиц в диапазоне 0,01 - 0,5 мм. Для случая мелких частиц, имеющих размер 0,01 мм, исследовано также влияние относительной начальной скорости во входном сечение (рассмотрены варианты cparllcflm= 0 и 0,87). Остальные значения начальных и граничных условий для расчета движения частиц в этом исследовании оставались постоянными и принимали следующие значения: относительная начальная скорость с /с О, коэффициент формы частично,?, нормальный коэффициент восстановления импульса после соударения со стенкой ея=0,8 и тангенциальный коэффициент восстановления им пульса є, =0,9. Принято равномерное распределение частиц во входном сечении. Расположение 9 точек впуска показано на рис.4.1.
Основные результаты расчетного исследования для варианта с относительной начальной скоростью cpar,/cJIm=0 показаны на рис. 4.13- 4.21 в виде пространственных траекторий движения частиц, раскрашенных в соответствие со скоростью движения частицы. Характеристики движения твердых частиц с размером 0,5 мм приведены в параграфах 4.2 , 4.3. На рис. 4.13 приведены результаты исследования параметров движения частиц с размерами 0,1 мм, на рис. 4.14 с размерами 0,05 мм, на рис. 4.15 с размерами 0,01 мм.
Похожие диссертации на Анализ процессов износа входных устройств радиально-осевых турбин турбокомпрессоров судовых дизелей на основе расчета двухкомпонентной рабочей среды
