Анализ процессов износа входных устройств радиально-осевых турбин турбокомпрессоров судовых дизелей на основе расчета двухкомпонентной рабочей среды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.05, кандидат технических наук Епихин, Алексей Иванович

• Епихин, Алексей Иванович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Епихин, Алексей Иванович

Список сокращений и аббревиатуры.

Введение.

Глава 1. Анализ данных по эксплуатации, методов исследования радиально-осевых турбин турбокомпрессоров судовых среднеоборотных дизелей и математических моделей, описывающих движение газа. Постановка задачи исследования.

1.1. Анализ данных по эксплуатации турбокомпрессоров с радиаль-но-осевыми турбинами.

1.2. Методы исследования входных устройств турбокомпрессоров судовых дизелей.

1.3. Математическая модель, описывающая течение вязкой сплошной сжимаемой однокомпонентной среды.

1.4. Модели турбулентности, использованные при описании турбулентного течения вязкой сплошной сжимаемой однокомпонентной среды.

1.5. Модель для описания турбулентных течений вблизи твердых стенок.

1.6. Постановка граничных условий для модели турбулентного течения сплошной вязкой однокомпонентной среды.

1.7. Математическая модель течения двухкомпонентных сред.

1.8. Постановка задачи исследования.

Глава 2. Объекты исследования, математическая и геометрическая модели радиально-осевой турбины с безлопаточным направляющим аппаратом. Исследование физико-химических свойств материалов входных устройств и сопловых аппаратов радиально-осевых турбин турбокомпрессоров.

2.1. Турбокомпрессоры с радиально-осевыми турбинами.

2.2. Математическая модель, описывающая процессы течения вязкой сплошной сжимаемой двухкомпонентной рабочей среды в радиально-осевой турбине турбокомпрессора судового дизеля.

2.3. Геометрическая модель радиально-осевой турбины с безлопаточным направляющим аппаратом.

2.4. Исследование химических, металлографических и механических свойств входных устройств и сопловых аппаратов турбокомпрессоров с радиально-осевой турбиной.

Глава 3. Построение конечно-объемной модели и расчетной сетки объектами исследования. Анализ турбулентного течения сплошной среды в проточной части радиально-осевой турбины турбокомпрессора.

3.1. Расчетная сетка во входном устройстве и рабочем колесе.

3.2. Исходные данные и граничные условия для расчета течения в проточной части турбины.

3.3. Результаты расчета течения во всей турбине. Определение граничных условий для расчета течения во входном устройстве.

3.4. Расчет течения во входном устройстве с безлопаточным направляющим аппаратом.

Глава 4. Расчетное исследование движения дискретных частиц во входном устройстве с безлопаточным направляющим аппаратом радиально-осевой турбины турбокомпрессора.

4.1. Исходные данные и граничные условия для расчета движения дискретных частиц.

4.2. Исследование влияния степени упругости соударения частиц с поверхностью стенок канала и формы крупных частиц на параметры движения.

4.3. Исследование влияния распределения частиц по входному сечению и их начальной скорости на параметры движения частиц.

4.4. Исследование влияния размеров частиц на параметры их движения.

4.5. Оценка характеристик абразивно (эрозионно) -опасных потоков твердых частиц.

4.6. Способы снижения износа проточной части радиально-осевой турбины турбокомпрессоров судовых дизелей.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ процессов износа входных устройств радиально-осевых турбин турбокомпрессоров судовых дизелей на основе расчета двухкомпонентной рабочей среды»

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 С1МАС 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» (г.Новороссийск) и учебный процесс МГА им. адм. Ф.Ф.Ушакова (г.Новороссийск).

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.

Заключение диссертации по теме «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)», Епихин, Алексей Иванович

Заключение

В результате выполнения диссертационной работы получены новые научные результаты, предложены рекомендации, позволяющие уже на стадии проектирования и изготовления турбокомпрессоров решить задачи, связанные с расчетом входных устройств радиально-осевых турбин с учетом эксплуатационных факторов (наличия твердых взвешенных частиц в продуктах сгорания тяжелых сортов топлива судовых дизелей). При решении этой научно-технической задачи получены следующие основные результаты и выводы:

1. Исследование химических, металлографических и механических свойств ВУ и направляющих аппаратов РОС турбин современных ТК показало, что:

- ВУ изготовлены из высокопрочного чугуна с шаровидной формой графита; при этом у входного устройства ТК типа Ш1 металлическая матрица состоит из феррита, а у входного устройства ТК типа N11 - из феррита и 8% перлита, что, является нарушением требуемой структуры, которая должна состоять из перлитной металлической матрицы и включений шаровидного графита с твердостью не менее НВ - 230. .250;

- ВУ ТК фирмы АВВ типа Ю?. с БНА должно быть изготовлен из высокопрочного чугуна, имеющего структуру, состоящую из перлитной и сорбит-ной металлической матрицы и включений шаровидного графита, при этом наличие феррита не допускается; в этом случае твердость ВУ должна находиться в пределах НВ - 230. .270;

- сопловый аппарат турбины ТК типа N11, изготовленный из стали аустенитного класса марки 25Х15Н26М5Г2 с твердостью НВ менее 100 не соответствует условиям эксплуатации; для условий работы данного соплового аппарата необходимо применение более умеренно легированной жаростойкой стали типа сильхрома марки 40Х9С2, которая обладает достаточной жаростойкостью и при этом довольно хорошей износостойкостью;

2. Расчетный анализ движения частиц во входном устройстве необходимо выполнять с использованием модели турбулентного течения вязкого газа, так как на перенос частиц определенного диапазона размеров могут оказывать существенное влияние перетекания в трехмерном пограничном слое на стенках спиральной камеры.

3. В износе внутренней поверхности ВУ участвуют главным образом твердые частицы со следующими параметрами: с размерами 0,05мм и более; с коэффициентом формы 0,6 - 0,7; при нормальной и тангенциальной степени упругости удара, лежащей в диапазоне 0,8 - 0,9.

4. Параметры движения абразивно (эрозионно) опасных частиц в зоне износа (вблизи «языка» входного устройства) слабо зависят от величины начальной скорости и места расположения выпуска частиц во входном сечении ВУ.

5. Твердые частицы с размерами более 0,05 мм могут накапливаться в спиральной камере, совершая в процессе движения более одного оборота вокруг оси вращения турбины. При этом их скорость приближается к максимальной скорости потока газа во входном патрубке. Однако основная часть твердых частиц не совершает более двух оборотов.

6. Твердые частицы с размерами 0,05 - 0,5 мм имеют значительную величину тангенциальной составляющей импульса при соударении с внутренней поверхностью ВУ в зоне износа. При этом абразивный износ играет существенную роль в процессе разрушения.

7. Улавливание частиц в спиральной камере ВУ неэффективно из-за конструктивных трудностей размещения улавливающего устройства в зоне наибольшей концентрации частиц (зоне языка). В других местах ВУ частицы значительно рассеяны в пространстве, и эффективно улавливать их невозможно.

8. Выполненная приближенная оценка параметров влияющих, на разрушение поверхности стенки ВУ из-за взаимодействия с твердыми частицами показала, что скорость разрушения (износа) ВУ РОС ТК типа RR-181 (ABB) составляет примерно 34 мм за 3800 час эксплуатации двигателя. Полученный результат расчета удовлетворительно согласуется с наблюдаемой в процессе эксплуатации картиной износа ВУ ТК RR-181 (ABB), RH 143/163 (фирма Mitsubishi).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Епихин, Алексей Иванович, 2006 год

1. Ципленкин Г.Е., Дейч Р.С. Обзор докладов по турбокомпрессорам. Дви-гателестроение, №4,2001, с. 55 - 59.

2. Kneip S., Bomhorn A. MAN B&W new turbocharger generation TCR product development and fírst test results. - Paper № 109, CIMAC 2004. Kyoto.

3. Николаев Н.И. и др. Характерные неисправности и отказы турбонагнетателей с радиальной турбиной судовых дизель-генераторов. Морской транспорт. Серия Техническая эксплуатация флота и судоремонт: ЭИ. - М., 2002. Вып. 4 (916), с. 1-6.

4. Башуров Б.П., Шарик В.В. Функциональная надежность турбокомпрессоров систем наддува судовых дизелей. Двигателестроение, №2, 2005, с. 23-29.

5. Янек Е., Штрикерт X. Техническая диагностика судовых машин и механизмов. Пер. с немецкого. Л.: Судостроение, 1986, с. 232.

6. Овсянников М.К., Петухов В.А. Эксплуатационные качества судовых дизелей-JI.: Судостроение, 1982, с. 208.

7. Born Н., Meier М., Roduner С. TPS F; a new seríes of small turbochargers for highest pressure ratios. - Paper №34. CIMAC 2004. Kyoto.

8. MAN B&W. Radial Turbochargers 32000 Hours in HFO operation. Onboard Interim Report. Status: AVT 06/95, p. 5.

9. Ю.Трухний А.Д., Лесев C.M. Стационарные паровые турбины. Под ред. Б.М. Трояновского. -М.: «Энергоиздат», 1981, 456 с.

10. Розенберг Г.Ш., Ткачев Н.М., Кострыкин В.Ф. Центростремительные турбины судовых установок. JL: Судостроение, 1973.

11. Шальман Ю.И. Износ и изменение параметров осевой и центробежной ступеней компрессора при работе на запыленном воздухе. Сб. «Вертолетные газотурбинные двигатели». Машиностроение, 1996.

12. Eckert В. Einfluch des Staubes bei Gasturbinen von Landfahrzeugen, MTZ, 1964 B.2, N 25.

13. Н.Алферов H.C. Ударная эрозия рабочих лопаток турбин на твердом топливе, Диссертация. -М.: ЦКТИ, 1952.15.0лесевич К.В. Износ элементов газовых турбин при работе на твердом топливе. Машгиз, 1959.

14. Кириллов И.И. Теория турбомашин. Д.: Машиностроение, 1972, с. 483-492.

15. Фадеев И.П., Биржаков М.Б., Маслянко А.И., Хавич C.JI. Эрозия деталей паровых турбин. Энергетическое машиностроение (НИИЭинформэнер-гомаш), 1982, №6.

16. Николаев Н.И., Епихин А.И. Анализ методов профилирования входных устройств радиально-осевых турбин. Труды НГМА, 2003, с. 111-115.

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

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

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

20. Табакофф, Шеоран, Кролл. Измерения параметров течения в улитке турбины. Теоретические основы инженерных расчетов, т. 102, №3, 1980, с. 113-119.

21. Хамед, Баскароне. Анализ трехмерного течения в улитке турбины. Теоретические основы инженерных расчетов, т. 102, №3, 1980, с. 119 - 124.

22. Хамед, Баскароне, Табакофф. Исследование течения в узле улитка сопловой аппарат центростремительной турбины. - Теоретические основы инженерных расчетов, т. 100, 1978, №1, с. 152 - 157.

23. Хирин Ч., Варзе Г., Метод конечных элементов для расчета течения в тур-бомашинах. Теоретические основы инженерных расчетов, 1976, №3,с. 173 190.

24. Рухамин Г.И. Разработка метода расчета и исследования входных патрубков турбокомпрессоров. Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук.-Д.: ЛПИ, 1979,17 с.

25. Герман В.А. Разработка метода расчета и оптимизация симметричных улиток и несимметричных кольцевых сборных камер центробежных компрессоров. Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. Л.: ЛПИ, 1985, 20 с.

26. Бреббия К., Телес Ж., Вроубел Л. Методы граничных элементов. М.: Мир, 1987, 524 с.

27. Niazi Saeid, Stein Alex and Sankar L.N. Development and Application of a CFD Solver to the Simulation of Centrifugal Compressors. AIAA Paper 980934 (A98-16733), Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, 36th, Reno, NV, Jan. 12-15,1998.

28. Sieros G., Papailiou K.D. The Design of Small Centrifugal Compressors Using Advanced Computational Means. ERCOFTAC (European Research Community On Flow Turbulence And Combustion) Bulletin No. 42: September 1999.

29. Шерстюк А. Н., Мамедов 3. М. О влиянии угла выхода потока и высоты канала безлопаточных направляющих аппаратов осевых турбин на их эффективность. Труды МЭИ, вып. 203,1974.

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

31. Morkovin, M.V.: Effects of Compressibility on Turbulent Flow. The Mechanics of Turbulence, Favre, A. (ed.), Gordon and Breach, New York, 1964.

32. В. E. Launder, D. B. Spalding. Lectures in Mathematical Models of Turbulence. Academic Press, London, England, 1972.

33. T.-H. Shih, W. W. Liou, A. Shabbir, and J. Zhu. A New k-eEddy-'Viscosity Model for High Reynolds Number Turbulent Flows Model Development and Validation. Computers Fluids, 24(3):227-238,1995.

34. F. R. Menter. Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications. AIAA Journal, 32(8): 1598-1605, August 1994.

35. D. C. Wilcox. Turbulence Modeling for CFD. DCW Industries, Inc., La Canada, California, 1998.

36. В. E. Launder and D. B. Spalding. The Numerical Computation of Turbulent Flows. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 3:269-289,1974.

37. S. A. Morsi and A. J. Alexander. An Investigation of Particle Trajectories in Two-Phase Flow Systems. J. Fluid Meek, 55(2): 193-208, September 26 1972.

38. A. Haider and O. Levenspiel. Drag Coefficient and Terminal Velocity of Spherical and Nonspherical Particles. Powder Technology, 58:63-70, 1989.

39. Clift, Grace, and Weber. Bubbles, Drops, and Particles. Technical report, Academic Press, 1978.

40. Николаев Н.И., Савченко В.А. Современное состояние и техническая эксплуатация турбонаддувочных агрегатов: Монография. СПб.: Судостроение, 2005.- 114 с.

41. Камкин С.В., Возницкий И.В., Шмелев В.П. Эксплуатация судовых дизелей. М.: Транспорт, 1990,344 с.

42. Семенов B.C., Трофимов П.С. Долговечность цилиндро-поршневой группы судовых дизелей. -М.: Транспорт, 1969, 261 с.

43. Трактовенко И.А. Исследование стабильности дизельных топлив.: Труды Центр. Ордена Трудового Красного Знамени НАМИ. Вып. №6,1959.

44. Большаков В.Ф. Исследование работы судового малооборотного дизеля на моторном топливе ДТ-1.: Техническая эксплуатация морского флота. Инф. сборник ЦНИИМФ, вып. 119.1964.

45. СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ АВТОРА

46. Николаев Н.И. Анализ методов профилирования входных устройств ради-ально-осевых турбин. Текст. / Н.И. Николаев, А.И. Епихин // Труды НГМА, 2003.-С. 111-115.

47. Директор департамента управления имуществом ОАО «Новороссийское морское пароходство», к.т.н., доцент

48. Флит-менеджер департамента технической эксплуатации флота ОАО «Новороссийское морское пароходство»1. К.Б. Пальчик1. С.А. Загоскин1. Прс/лррк.е/^ия £1. УТВЕРЖДАЮ1. АКТ

49. О внедрении научных результатов диссертационной работы Епихина А.И.

50. Анализ износа входных устройств радиально-осевых турбин турбокомпрессоров судовых дизелей на основе расчёта двухкомпонентнойрабочей среды»

51. Начальник Судомеханического факулгто'го

52. МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова к.т.н., доцент1. Ю.Г. Косолап

53. Начальник Заочного факультета МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова доцент1. О.Н. Герасименко