Введение к работе
Актуальность темы: В настоящее время широкое применение в различных отраслях промышленности находят малоразмерные турбокомпрессоры (МТКР). Как составная часть, они входят в авиационные газотурбинные двигатели малой тяги, применяемые в беспилотных летательных аппаратах и крылатых ракетах; маломощные турбовальные двигатели для вертолетов. МТКР используются также во вспомогательных авиационных двигателях. Центробежный компрессор (ЦБК) и радиальная турбина (РТ) используются в различного рода агрегатах, устанавливаемых на борту летательного аппарата. МТКР находят применение в авиационных поршневых двигателях как средство повышения їй высотности и мощности. В наземных транспортных средствах МТКР устанавливаются на дизелях. Система газотурбинного наддува (СГТН) дизеля включает в себя, как правило, МТКР и охладитель наддувочного воздуха (ОНВ). Применение СГГН на дизелях позволяет повысить их удельную мощность, улучшить топливную экономичность и обеспечить требуемую экологическую чистоту продуктов сгорания. Несмотря на различные области применения МТКР проблемы их проектирования и создания имеют много общего. В настоящей работе эти проблемы рассматриваются применительно к дизелям. Существующие современные методики расчетов характеристик агрегатов СГТН и двигателя в целом, не решают всего комплекса проблем, возникающих при их проектировании, и позволяют давать лишь качественную оценку. Поэтому экспериментальные исследования узлов и агрегатов СГТН являются актуальными и остаются пока наиболее надежным инструментом как при проектировании и доводке этих агрегатов, так и при совершенствовании их математических моделей. Обобщение экспериментальных результатов и их систематизация представляется важной в связи с сокращением финансирования научно-исследовательских работ и невозможностью проведения широкомасштабных экспериментов. В то же время новые двигатели, в том числе авиационные, должны быть конкурентоспособными на мировом рынке. Пель работы и ее плановость: Создание высокоэффективных агрегатов и узлов СГТН со стабильными характеристиками в условиях массового производства на основе их комплексного экспериментально-теоретичекого исследования.
Работа выполнялась в ОАО КамАЗ в соответствии планами опытно-конструкторских и научно-исследовательских работ Минавтопрома.
Задачами работы являлись:
-
Создание стенда для исследовательских испытаний ТКР, разработка методик исследовательских испытаний и обработки результатов испытаний.
-
Исследовательские и доводочные испытания элементов МТКР. Выработка научно-обоснованных экспериментально подтвержденных конструкторских решений, направленных на повышение эффективности и надежности работы МТКР.
-
Разработка способа изготовления отливки колес компрессора и турбины ТКР по образцу, изготовленному механообработкой.
-
Определение необходимого уровня эффективности ОНВ, разработка, изготовление и исследовательские испытания ОНВ для двигателей КамАЗ.
-
Выбор способа регулирования давления наддува, условий регулирования и разработка регулируемого МТКР.
-
Выбор метода оценки уровня качества и стабильности характеристик МТКР в условиях массового производства и создание стенда оригинальной конструкции.
Научная новизна:
1. Установлена оптимальная макро и микрогеометрия (шероховатость поверх
ности, зазоры) элементов проточной части ЦБК. Показано, что рабочее колесо с на
клонными лопатками, с геометрическим углом выхода ($^ = 62 и профилирован
ньш диффузором обладает лучшими аэродинамическими качествами по сравнению <
рабочим колесом, имеющим лопатки без наклона, с геометрическим углом выход:
р\я = 90 и диффузором с плоскопараллельными системами.
2. Исследована область неустойчивой работы компрессорной ступени. Выяв
лена зона «мягкого помпажа» и показано, что граница начала зоны «мягкого пом
пажа» проходит по точкам максимальных значений напорных характеристик.
-
Разработан метод экспериментальной оптимизации проточной части безло паточного направляющего аппарата турбины СЕНА) МТКР, предложен закон про филирования направляющего аппарата, обеспечивающий равенство углов выход: потока газа из щелевого конфузора.
-
Предложена и экспериментально подтверждена наиболее эффективная схем: подшипникового узла для МТКР.
-
Разработаны оригинальные технологии получения отливок колес компрессо ра и турбины по образцам, изготовленным механообработкой.
-
Экспериментально обоснованы требования к уровню эффективности OHI для двигателей КамАЗ, отвечающих нормам по токсичности Евро-1 и Евро-2.
-
Предложен метод определения условий регулирования, способа и закона ре гулирования давления наддува двигателя с СГГО.
-
Впервые предложен метод оценки качества изготовления и сборки МТКР ш уровню температуры газов перед турбиной при их испытаниях в составе специаль ного стенда, работающего по схеме одновального газотурбинного двигателя с выне сенной камерой сгорания.
Достоверность полученных результатов подтверждается применением высоко точной измерительной аппаратуры, отвечающей всем требованиям современной теплофизичесхого эксперимента, повторяемостью полученных результатов и их под тверждением при параметрических испытаниях двигателя, многочисленными испы гениями МТКР и их сравнением с данными других фирм, независимой экспертизой проводимой при сертификации двигателей за рубежом.
Практическая ценность. Предложенные в настоящей работе экспериментальны! материалы, методы проектирования и оптимизации, оригинальные технологии гаго говления рабочих колес, метод контроля качества МТКР и отдельные конструктор ские решения могут быть использованы как специалистами, занимающимися разра боткой и доводкой СГТН для транспортных дизелей, так и специалистами, зани мающимися разработкой и доводкой малоразмерных двигателей летательных аппа ратов.
Реализация работы на производстве. На базе представленных работ в ОАО Ка мАЗ создан типоразиерный ряд турбокомпрессоров серии «С» и охладители надлу вочного воздуха типа «воздух-воздух» и «жидкость-воздух». Производство внові разработанных МТКР типа ТКР7С освоено в ОАО КамАЗ, а ОНВ в ОАС "Теплообменник" Г.Н.Новгород и в ОАО "Сатурн" г.Омск.
Двигатели КамАЗ моделей 740.11-240, 740.21-240, 740,20-60, укомплектованные этой СТТН, успешно прошли сертификационные испытания на соответствие требованиям Евро-1. Пять моделей двигателей планируется сертифицировать в 1998г. на соответствие требованиям Евро-2. На базе материалов по регулируемому наддуву на КамАЗе был создан двигатель для городского автобуса. Испытания двигателя показали перспективность этого направления.
По патенту №1812474 Роспатента разработан, изготовлен и введен в эксплуатацию в производстве ТКР ОАО КамАЗ стенд для предъявительских и приемосдаточных испытаний.
Апробация работы. Работа обсуждалась по частям и полностью на семи научно-технических конференциях различного уровня, в том числе: на Всесоюзной конференции «Агрегаты наддува и их совместная работа с дизелями» (г.Челябинск, Челябинский филиал НАТИ, 1982г.); на республиканской конференции «Конверсия производства деталей двигателей внутреннего сгорания» (г.Харьков, Харьковский политехнический институт, 1991г.); на всесоюзном научно-техническом семинаре «Разработка и оптимизация динамических характеристик двигателей мобильных сельскохозяйственных комплексов» (г.Казань, Казанский сельскохозяйственный институт, 1991г.); на 49 научно-методической и научно-исследовательской конференции, посвященной 60-летшо МАДИ (г.Москва, МАДИ, 1991г.); на девятой международной научно-технической конференции по компрессоростроению (г.Казань, Каз-гостехуниверситет, 1993г.); на международной научно-технической конференции «Механика малпшостроения» (г.Набережные Челны, КамПИ, 1995г.); на 10 научно-техническом семинаре «Внутрикамерные процессы в энергетических установках. Акустика, диагностика» (г.Казань, КВАКНУ, 1998 г.); на расширенном заседании кафедры турбомашин Казгостехуниверсигета им.А-Н.Туполева, 1998г. Тезисы докладов опубликованы. Во всех случаях научные результаты работы получили вдобреній.
Личный вклад автора в работу: Автором сформулированы основные задачи проектирования, совершенствования и доводки МТКР и ОНВ. По разработкам автора на КамАЗе создан стенд для испытания агрегатов СГГН. Им предложен способ оценки качества выпускаемых заводом ТКР и принципиальная схема стенда для предъявительских и приемо-сдаточных испытаний. Под его научным руководством были разработаны методы испытаний элементов СГТН, обработки опытных данных и обобщения полученных результатов. Под его методическим руководством на КамАЗе создано семейство высокоэффективных турбокомпрессоров ТКР7С и ОНВ, которые успешно прошли приемочные и сертификационные испытания в составе двигателей КамАЗ-740.11-240, 740.21-240, 740.20-260; опытные образцы регулируемых ТКР и двигателя с электронным регулированием давления наддувочного воздуха.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе один патент на изобретение.
