Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитические исследования методик разработки турбокомпрессоров и систем наддува 8
1.1 Особенности работы и основные требования к работе двигателей с турбонаддувом 8
1.2. Постановка задачи исследования. Блок-схема построения работы 12
1.3. Анализ российского и международного опыта создания и использования систем турбонаддува
1.3.1. Анализ схем и конструкций систем наддува 18
1.3.2. Анализ методов прототипирования 46
1.3.3 Анализ исследовательской базы 46
1.3.4. Выводы по результатам анализа 47
ГДАВА 2. Создание методики разработки типоразмерного ряда ТКР для двс различного назначения 51
2.1. Расчет и проектирование основных элементов прототипов ТКР. Структура исследовательской базы данных 51
2.2. Методика расчета агрегатов наддува методом масштабирования элементов 52
2.3. Прототипирование элементов ТКР с применением современных технологий 93
ГЛАВА 3. Экспериментальный стенд для испытаний турбокомпрессоров. методика исследования 98
3.1. Технологические системы экспериментального стенда, принцип работы и
контролируемые параметры 98
3.2. Методика исследовательских безмоторных испытаний турбокомпрессоров 104
ГЛАВА 4. Апробация разработанной методики на примере создания системы наддува для перспективного двигателя ЯМЗ-780 115
4.1 Расчет системы наддува. 115
4.2 Выбор геометрии и определение характеристик компрессора и турбины 118
Выводы 130
Основные результаты работы и выводы 134
Список использованных источников 1
- Анализ российского и международного опыта создания и использования систем турбонаддува
- Методика расчета агрегатов наддува методом масштабирования элементов
- Методика исследовательских безмоторных испытаний турбокомпрессоров
- Выбор геометрии и определение характеристик компрессора и турбины
Анализ российского и международного опыта создания и использования систем турбонаддува
В зависимости от назначения двигателя, от потребителя, с которым он работает, к его внешним скоростным и другим характеристикам предъявляются различные требования (рис. 1.). Так, известно, что к двигателю транспортной установки предъявляется требование повышенной приёмистости и приспособляемости. Высокие коэффициенты приспособляемости должны быть у двигателей строительных, дорожных машин и т.д. К дизель-генераторам основное требование - минимальное отклонение частоты вращения при изменении нагрузки и т.д.
Скоростные характеристики относительных мощности (Pе ) и момента (Ttq) для двигателей разных назначений: 1 - судовой, работающий на винт фиксированного шага, 2 стационарный, 3 - наиболее распространённые характеристики двигателей транспортного назначения, 4 - идеальная транспортная характеристика. Так, для судового двигателя нагрузка определяется характеристикой винта данного шагового отношения (винтовая характеристика).
Скоростные зависимости изменения момента (Ttq) и мощности (Ре) от частоты вращения (n) при установившихся режимах работы имеют вид кривых 1, соответственно - квадратичной и кубической функций. При этом от внешней характеристики двигателя, как правило, не требуется увеличение момента при снижении частоты вращения. Развиваемый при работе по внешней характеристике Мкр может ограничиваться со снижением n, что делается для уменьшения термических нагрузок цилиндро-поршневой группы.
Для дизель-генераторной установки в идеале желательна характеристика (2). Это -вертикаль Мкр=var при n=const. Для транспортного двигателя (3) от скоростной характеристики требуется определённое увеличение Мкр со снижением частоты вращения, что способствует повышению приспособляемости (Kдв=Ttq max/Ttq nom). Считается, что идеальной характеристикой двигателя транспортной установки является характеристика Ne const в некотором диапазоне снижения частоты вращения. Т.е. характеристика должна иметь вид 4 с возрастанием Мкр примерно по параболе.
Для установок типа бульдозеров, экскаваторов и т.д. значение приспособляемости возрастает.
В последние годы возрос интерес к высокому форсированию транспортных дизелей, повышению коэффициента приспособляемости Кдв= Мкрmax /Mкрnomдо 1,5 и более при относительной частоте Кn =nМкрmax/nnom0,5 при сохранении строгих требований по экономичности, шумности и токсичности. Считается желательным не выходить за пределы Рz выше 20 Мпа, температуры ОГ порядка 700С, дымности ОГ не выше 30% по Хартриджу и окружной скорости колёс ТКР порядка 550-600 м/с.
Бескомпрессорным способом воздействия на процесс наполнения является использование волновых процессов во впускных коллекторах. Искусный подбор длин патрубков позволяет на определенных частотах двигателя создавать значительное повышение давления перед клапаном, поднимающее плотность заряда в цилиндре до 1,3-1,6 раз. К сожалению, этот уровень сейчас уже не достаточен, используемые физические явления узкорежимны и могут быть использованы либо как побочные при реализации других основных средств, либо в агрегатах, работающих на одной частоте. На ряде других частот волновые процессы ухудшают наполнение.
Приводной компрессор (механически от коленвала или электрически) может улучшить динамику агрегата, но становится нерациональным при увеличении частоты из-за параболического роста затрат энергии на его работу.
Известно, что газотурбинный наддув, повышая абсолютный уровень мощностных показателей, сглаживает частотное протекание Мкр=f(nдв), т.е. снижает Кдв. На рис. 2. видно, что характеристика двигателя без наддува (кривая 1) имеет больший Кдв, более широкий диапазон изменения момента без существенного падения его величины, чем двигатель со свободным газотурбинным наддувом (2) (в данном случае при одинаковой абсолютной или относительной мощности). Для повышения приспособляемости может быть применён, например, регулируемый наддув или наддув с механической передачей между двс и турбонагнетателем (кривая 3). При этом на двигателе необходимо применение системы регулирования - как расхода воздуха, так и расхода топлива. Т.е. со снижением частоты вращения (при увеличивающейся нагрузке на двигатель) регулятор обеспечивает увеличение расхода топлива в соответствии с возрастающей цикловой подачей воздуха. Последнее обеспечивается системой регулируемого наддува, приводом компрессора от вала двигателя и т.д. Применение гидротрансформатора в приводе компрессора в ещё большей степени позволяет увеличивать цикловую производительность компрессора со снижением частоты вращения (кривая 4). Применение трёхступенчатого гидротрансформатора в приводе компрессора (7) с соответствующим регулятором управления топливоподачей обеспечивает приближение скоростной характеристики момента к идеальной, что особенно важно для двигателей экскаваторов и т.п. На рис. 2. для сравнения приведена характеристика электродвигателя (8), показывающая более высокие тяговые качества такого привода для потребителя. Известно, что тяговая характеристика газотурбинного двигателя также более благоприятна для транспортной установки.
Таким образом, в зависимости от желательной характеристики двигателя (что определяется требованиями потребителя) следует выбирать и соответствующую систему наддува и ее регулирования. В дальнейшем мы рассмотрим различные особые системы наддува и оценим их влияние на рабочие характеристики Мкр.
ТН в простейшем исполнении (т.е. если он не регулируемый) является весьма узкорежимным средством: если он повышает Ne и Мкр на номинальном режиме, то со снижением частоты вращения степень повышения мощности или момента снижается из-за снижения энергии ОГ и нарушения оптимальности скоростей на входе в турбину; если расчет ТКР был сделан на повышение Мкр в зоне средних частот, при nN будут «избыточны» воздушный заряд и частота ТКР. Это означает, что только «слепое» применение наддува позволяет повысить дв и Nдв в узком диапазоне близких к расчетному режиму, где характеристики ТКР и двигателя согласованы. Чаще всего выбираются для этого, как правило, частоты Ne или Mkpmax. При переходе на другие режимы работы параметры двигателя изменяются нижеследующим образом.
Если ориентироваться в подборе ТКР на nN, на меньших частотах проходное сечение соплового аппарата турбины оказывается «переразмеренным». Это ведет к снижению давления перед турбиной и, соответственно, - мощности, передаваемой турбиной компрессору, а следовательно - pn. Без соответствующего уменьшения топливоподачи температура tr может стать недопустимо высокой, а компрессор - подойти к границе помпажа. В таком случае дизель не сможет эффективно работать на частотах n (0,5 – 0,6)nN.
Известно, что для транспортного двигателя желательно сохранение и даже увеличение Мкр с уменьшением nдв, что достигается применением регулируемого наддува. В этом случае коэффициент приспособляемости повышается.
При ориентации ТКР на режим nM при nnM рти Nе растут, соответственно возрастают рк и рz. Кроме того, может возникнуть помпаж в компрессоре.
Т. О., и в этом случае простой переход двигателя на скоростной режим, отличный от расчетного, неблагоприятно сказывается на работе двигателя и его параметрах, в том числе - на Кдв. Эти недостатки устраняет регулирование, поскольку ТКР в значительной мере может настраиваться теперь на весь диапазон режимов.
Методика расчета агрегатов наддува методом масштабирования элементов
В зависимости от целей испытаний стенды могут работать по «замкнутой», или по «разомкнутой» схеме.
Ведущие фирмы дополнительно к вышеперечисленным исследованиям проводят также испытания, требующие специального оборудования, в том числе, измерения: уноса масла через уплотнения; уровня шума ТКР; механических потерь в подшипниках; прорыва количества газа через уплотнения; проверку работы уплотнений ТКР; оценку долговечности привода перепускного клапана.
Однако, при масштабах реальных потребностей у российских потребителей в сравнении с ведущими мировыми производителями, признано нерентабельным создавать на данном этапе развития такие ресурсоемкие стенды по п.11, предусмотрев, однако, при разработке основных специализированных стендов возможности такой проверки и изучения.
Учитывая всё более широкое применение многоступенчатых систем ТН, предусмотрено заложить в конструкцию стендов возможность их испытаний.
Во всех предыдущих, менее сложных, чем шестой, вариантах, будут отсутствовать те или иные элементы. Понятно, что исходные данные для каждого варианта задания, будучи составлены из большего или меньшего числа элементов, различны по широте и глубине. Решение задач по созданию системы ТН и, в частности, ТКР связано с замкнутым итерационным процессом типа: «расчеты— проектирование — виртуальная проверка— создание материальных прототипов— реальные испытания и доводка— внедрение в производство — и снова расчеты ...». В работе изначально принято, что все стадии этой технологии «овеществления» идеи - цепочка от идеи до материализации - будут происходить в единой среде, где каждая технологическая операция также должна выполняться в цифровой CAD\CAM\CAE- системе. Практически это одно из условий и необходимый элемент реального перехода к «безбумажным» технологиям, к которым сейчас идут в мире (с различными успехами и на разных стадиях по странам, отраслям и направлениям деятельности).
Все граничные физические параметры рабочих тел на входе (воздуха, ОГ - всех и рециркулирующих) задаются в каждый элемент системы и на выходе из него в квазистатической постановке ТЗ и/или находятся в результате решения системы уравнений (большего или меньшего числа – в зависимости от числа элементов). Это аналитическое описание базируется на уравнениях состояния, балансов массы и энергии - воздуха и/или ОГ -при происходящих в них политропических процессах. Это относится и к газодинамическим параметрам турбины и компрессора – они, вне зависимости от количества элементов и схемы системы, сначала рассматриваются в некотором эквивалентном единичном виде. Изменение параметров в элементе определяется путем первоначальной оценки происходящего там процесса с учетом степени его политропичности и близости к адиабатному, коэффициентов гидравлического сопротивления движению потока и показателей теплопередачи.
В зависимости от компоновки силового агрегата на готовом изделии, условий эксплуатации и др. ограничений простроенная логическая цепочка необходимых функциональных элементов эскизно прорабатывается в сочетании с образом двигателя для выяснения: реально ли гармонично встроить тот или иной элемент при его возможных основных геометрических параметрах.
Общим для всех вариантов является необходимость оценки, виртуального и, затем, реального создания оптимального ТКР (или их группировки), удовлетворяющего заданию по согласованным с исполнителем представлениям. Поэтому рассмотрим главную цель -определение газодинамических, геометрических и конструктивных характеристик ТКР, необходимых, чтобы обеспечить заданные параметры двигателя в соответствии с требованиями ТЗ.
Определение конструктивных, геометрических, газодинамических характеристик системы наддува, необходимых для обеспечения заданных параметров двигателя в соответствии с требованиями технического задания.
Как правило, анализ рабочего процесса дизеля выполняет его разработчик. В этом случае в техническом задании на проектирование системы наддува дизеля заказчиком задаются следующие параметры:
Однако, практика работы НПО «Турботехника» показывает, что чаще всего заказчик ограничивается рабочим объёмом, номинальной мощностью и максимальным крутящим моментом дизеля и соответствующими частотами вращения.
Сегодня существует много совершенных методик анализа рабочего процесса поршневых двигателей. Причём, чем совершеннее и точнее методика, тем больше объём исходных данных, необходимых для расчёта, то есть трудоёмкость таких расчётов недопустима для производителей систем наддува, не обладающих такими ресурсами, как разработчики двигателей, и не имеющих свободного доступа к технической документации на проектируемые двигатели.
Поэтому в этом случае необходим упрощённый метод анализа рабочего процесса двигателя, который позволяет определить необходимые условия на впуске двигателя, и условия на входе в турбину, исходя из оценки неизвестных параметров на основе статистических данных или аппроксимирующих зависимостей.
Методика исследовательских безмоторных испытаний турбокомпрессоров
Протекание зависимости коэффициента избытка воздуха по внешней скоростной характеристике дизельного двигателя с нерегулируемым турбокомпрессором таково, что он уменьшается по мере снижения частоты вращения коленчатого вала. Поэтому влияние его на экономичность двигателя и качество отработавших газов становится значительным, и к выбору параметров наддува при низких частотах вращения предъявляются повышенные требования.
Исходя из этого расчет необходимого давления наддува, обычно начинается с режима максимального крутящего момента, для которого задается минимально допустимое значение коэффициента избытка воздуха. По результатам расчета, исходя из ограничения максимальной температуры газа перед турбиной высокого давления 700 0С, уточняется коэффициента избытка воздуха а. Индикаторный КПД ,- уточняется из обеспечения заданного расхода топлива. При л отсутствии заданного расхода топлива по ВСХ, используя эмпирическую зависимость — , а уточняем индикаторный КПД ,- двигателя. Выбор эффективных параметров турбокомпрессоров многократно уточняются в процессе итерации исходя из опытных универсальных характеристик турбокомпрессора. Универсальная характеристика компрессора представляет собой семейство кривых (веток), отображающих функциональные зависимости: лк = f\Gв . ) и пкад = f[Gвпр) при разных окружных скоростях UК2 . При отсутствии требуемой характеристики компрессорной ступени, используя одну опытную характеристику, путем масштабирования по приведенному расходу воздуха Gв. пр с сохранением параметров по адиабатическому КПД и степени повышения давления, можно создать бесконечное множество характеристик, изменяя коэффициент масштабирования. Универсальная характеристика турбины представляет собой семейство кривых (веток), отображающих функциональные зависимости: СГпр=/(лТ) и т]Ге = f(xТ) при разных окружных скоростях UК2 . При отсутствии требуемой характеристики турбинной ступени, используя одну опытную характеристику, путем масштабирования по приведенному расходу газа вГпр с сохранением параметров по эффективному КПД, можно создать бесконечное множество характеристик, изменяя коэффициент масштабирования.
Определив параметры наддува на режиме максимального крутящего момента и выбрав универсальные характеристики при заданной степени повышения давления , рассчитываем параметры наддува по ВСХ, принимая закон изменения исходных параметров от оборотов коленчатого вала и с учетом выбранных универсальных характеристик. Основой данной методики является наличие у разработчиков базы данных (БД). В процессе создания базы данных используется отечественный и мировой опыт создания многочисленных систем наддува в мире. Это - некоторая совокупность данных по теме в памяти компьютера, которая в соответствии с определёнными правилами и процедурами удобно используется для удовлетворения информационных потребностей разработчиков. БД условно разделена по тематическому принципу на следующие разделы:
Это позволяет постоянно сравнивать по объективным критериям в процессе поиска решения варианты, предлагаемые заказчику, с уже имеющимися и поэтому каждый значимый этап работы по представленной методике включает обращение к БД для различных действий (отбор необходимых констант и других параметров, сравнение полученных данных с имеющимися, использование уже полученных эффективных решений и применение их на новые проекты, сохранение какой-то части и т.д.)
Следующим этапом проводится выбор геометрии и определение характеристик ступеней турбокомпрессора.
На основе теории подобия Г.Ю. Степановым были найдены безразмерные критерии, определяющие подобие процессов в лопаточной машине. Девять размерных параметров, определяющих работу, и эффективность процесса в турбине он сводит к пяти безразмерным критериям подобия: Показатель адиабаты К = —, критерий Прандтля Pz = , отношение давлений в Cv А турбине у„ коэффициент окружной скорости Ли = , 1П , критерий Рейнольдса
При соблюдении этих пяти критериев процессы в лопаточных машинах на реальном и модельном режимах будут подобны. Таким образом для установившегося течения сжимаемого вязкого газа достаточными условиями обеспечения подобия являются соблюдение критериев подобия, а также геометрического подобия.
Выбор геометрии и определение характеристики компрессора: При рассмотрении течения газа в компрессоре можно пренебречь действием сил земного притяжения, теплообменом, показателем адиабаты в зависимости от изменения внешних условий. Основными факторами, которые необходимо учитывать, являются сжимаемость и вязкость. Поскольку моделирование компрессора происходит в автомодельной области по числу Рейнольдса, то вязкость можно исключить из рассмотрения. В этом случае подобие течений с достаточной степенью точности определяется только числом Маха (при выполнении соответствующих краевых условий - геометрического подобия).
В рамках данной методики компрессорная ступень создается путем масштабирования. В качестве модельного выбирается существующий компрессор из базы данных с известными характеристиками, которые удовлетворяют условиям согласования по параметрам степени сжатия ( к = Р к2/Р к1, где Р к1 - полное давление на входе в компрессор, Р к2 - полное давление на выходе из компрессора) и коэффициенту полезного действия к.ад (КПД). При этом геометрия нового компрессора моделируется по расходу относительно модельного в большую сторону.
Коэффициент моделирования выбран с учетом обеспечения достаточных запасов устойчивой работы компрессора и прохождения линии совместной работы двигателя и ТКР в области максимальных КПД компрессора. Величина коэффициента моделирования рабочего колеса по расходу равна m=Gпрн/Gпрм, по линейным размерам I = 4т . Используя выше описанный подход моделирования компрессора и программно-вычислительные комплекс Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 строится трехмерная модель проточной части компрессорной ступени.
С целью подтверждения характеристик моделированного компрессора выполняется трехмерный газодинамический расчет. Расчет проводится в полной постановке, то есть все лопатки рабочего колеса включаются в область сеточного разбиения. Расчетные характеристики компрессора для Uк2 = 300, 450, 500 м/с (Uк2 - приведенная окружная скорость на наружном диаметре рабочего колеса компрессора), а также характеристики, получаемые при моделировании, показаны на рис. 51.
Из рис. 51 видно близкое совпадение моделированных и расчетных напорных кривых. Для более точного определения характеристик компрессора трехмерными методами необходимо уточнить расчетную модель и определиться с наиболее важными местами, необходимыми при учете потерь в компрессорной ступени.
Эта мера не является необходимой при наличии отработанного «эталонного» компрессора и многочисленного опыта в совпадении смоделированных и экспериментальных характеристик. Далее на смоделированную характеристику компрессора накладывается расходная характеристика двигателя и проходит анализ применения данного решения к конкретному двигателю. На рис. 52. представлены характеристики моделированного компрессора с расходными характеристиками проектируемого двигателя 12ЧН 15/17,5 .
Выбор геометрии и определение характеристик компрессора и турбины
Исследовательский стенд испытаний турбокомпрессоров представляет собой совокупность агрегатов, узлов, деталей, электроприборов, электромеханических устройств, электропневматических устройств, электронных устройств, измерительных устройств, средств связи и пакета программного обеспечения, объединенных в единую систему с целью создания условий для проведения испытаний турбокомпрессоров по определению физических, технических и эксплуатационных характеристик в соответствии с требованиями нормативных документов.
Система автоматического управления, контроля, измерения параметров (САУКИП) представляет собой совокупность измерительных, контрольных, управляющих модулей функционально объединенных в единый испытательно-исследовательский комплекс.
Система подачи сжатого (магистрального) воздуха предназначена для обеспечения непрерывной подачи воздуха в диапазоне до 3,0 нкг/с при давлении подачи до 0,5МПа на стенд во время испытания. Состоит из компрессорной станции, ресивера, главного распределителя воздуха (ГРВ), транспортной магистрали подачи сжатого воздуха к камере сгорания, термокомпенсаторов, средств измерения параметров воздуха, сужающего устройства для измерения расхода воздуха (СУ) и исполнительных механизмов. Главный распределитель воздуха состоит из трубопроводов, системы поворотных заслонок с электроприводами и позиционерами, и служит для плавного регулирования соотношения, направления и расхода воздуха.
Система смазки служит для смазки подшипникового узла ТКР, отвода избытка тепла, выделяемого корпусом турбины, и включает в себя: масляную станцию, обеспечивающую необходимый расход до 80 л/мин., давление до 1.0мПа и температуру масла 70…1000С подводимого к турбокомпрессору, средства измерения величин указанных параметров и магистраль подачи масла к ТК. Масляная станция состоит из масляного насоса с приводом, масляного бака с электрическим нагревателем, масляного фильтра, водяного теплообменника для охлаждения масла во время испытаний.
Топливная система служит для обеспечения топливом камеры сгорания. Состоит из топливного бака, топливного фильтра, топливной станции, обеспечивающей необходимый расход до 0,125 кг/с и давление топлива до 10,0 Мпа. в зависимости от режима испытания, средств измерения величин указанных параметров и температуры, магистрали подачи топлива к камере сгорания, системы исполнительных устройств, регулирующих подачу топлива к форсункам.
Система зажигания предназначена для обеспечения условий воспламенения распыленного форсункой топлива и состоит из катушки зажигания 24В, высоковольтного провода и свечи зажигания, установленной в корпусе пускового воспламенителя.
Транспортная магистраль РГ предназначена для обеспечения подвода РГ к ТК и отвода отработавшего газа за пределы Стенда. Состоит из комплекса трубопроводов (газоводов), технологических элементов, средств измерения величин заданных параметров, давления и температуры.
Система подготовки и транспорта атмосферного воздуха служит для подачи очищенного атмосферного воздуха к ТК и отвода полученного, сжатого воздуха к ГРВ. Состоит из впускного соплового аппарата (ВСА), комплекса трубопроводов (воздуховодов) с термокомпенсатором, поворотного затвора, средств измерения величин температуры и давления до и после компрессорной ступени ТК (КСт).
Впускной сопловой аппарат предназначен для измерения величины перепада давления, необходимую для расчета расхода воздуха через КСт и по сути является стандартным СУ. Поворотный затвор представляет собой управляемую электропневмоприводом поворотную заслонку и служит для управления величиной расхода воздуха через КСт. Пневматическая система предназначена для подачи подготовленного, осушенного и очищенного, сжатого (технологического) воздуха к пневматическим распределителям приводов поворотных заслонок, позиционерам. Представляет собой подключенную к внешнему компрессору транспортную магистраль, состоящую из комплекса трубопроводов, фильтра, осушителя и технологических элементов.